Photoconductivity and Electro-Optical Properties of Wide Band Gap Metal Oxides

The PhD activity described in this Thesis was focused on the study of metal-oxide wide-bandgap materials, aiming at fabricating new optoelectronic devices such as solar-blind UV photodetectors, high power electronics, and gas sensors. Photocurrent spectroscopy and DC photocurrent time evolution were used to investigate the performance of prototypes under different atmospheres, temperatures and excitation wavelengths (or dark conditions). Cathodoluminescence, absorption spectroscopy, XRD and SEM were used to assess structural, morphologic, electrical and optical properties of materials. This thesis is divided into two main sections, each describing the work done on a different metal-oxide semiconductor. 1) MOVPE-grown Ga2O3 thin films for UV solar-blind photodetectors and high power devices The semiconducting oxides, among them Ga2O3, have been employed for several decades as transparent conducting oxide (TCO) electrodes for fabrication of solar cells, displays, electronic, and opto-electronic devices. The interest was mainly confined to such applications, as these materials tend to grow intrinsically n-type, and attempts to get an effective p-type doping has consistently failed. The key requirements of TCO electrodes are indeed high electrical conductivity and good transparency, while crystallographic perfection is a minor issue. Furthermore, for a long period no high-quality substrates and epi-layers were available, which in turn impeded the development of a truly full-oxide electronics. Recently, Ga2O3 has attracted renewed interest, as large single crystals and high-quality homo- and hetero-epitaxial layers became available, which paved the way to novel application areas. Our research group spent the last two years in developing a low temperature (500-700°C) MOVPE growth procedure to obtain thin films of Ga2O3 on different substrates (Dept. of Physics and IMEM-CNR at UNIPR). We obtained a significant result growing on oriented sapphire epitaxial films of high crystalline, undoped, pure phase -Ga2O3 (hexagonal). The crystallographic properties of this phase were investigated by XRD, in order to clarify the lattice parameters of the hexagonal cell. First design and development of solar blind UV photodetectors based on -phase was carried out and the optoelectronic performance is evaluated by means of photocurrent spectroscopy. The UV-response is adequately fast and reliable to render this unusual phase a subject of great interest for future applications. The availability of a hexagonal phase of Ga2O3 stable up to 700°C, belonging to the same space group of gallium nitride, with high crystallinity and tunable electrical properties, is intriguing in view of the development of nitride-based devices, by taking advantage of the more favorable symmetry and epitaxial relationships with respect to the monoclinic β-phase. In addition, annealing at temperatures higher than 700°C demonstrate that the hexagonal phase converts totally in the monoclinic one. 2) ZnO nano-tetrapods: charge transport mechanisms and time-response in optoelectronic devices and sensors Size and morphology of ZnO at the nanometer scale play a key role in tailoring its physical and chemical properties. Thanks to the possibility of growing zinc oxide in a variety of different nanostructures, there is a great variety of applications, among which gas sensors, light emitting diodes, transparent conducting oxides, solar cells. Even if the operation of ZnO nanostructure-based devices has been recently demonstrated, the mechanisms of charge transport in these assembly is still under debate. The candidate performed an accurate investigation by photocurrent spectroscopy and DC-photocurrent time evolution of electrical response of both single-tetrapod and tetrapod-assembly devices. During the research done for this thesis, a thermal activation energy enables the performance of samples at high temperatures (above about 300°C). The energy barrier is related to the leg-to-leg interconnection in the assembly of nanotetrapods. Percolation mechanisms are responsible for both the very slow photo-response (minutes to hours or days) and the significant persistent photocurrent. Below the bandgap energy, electronic states were investigated but their contribution to the photocurrent are two-three order of magnitude lower than the band edge. Such devices are suitable for employ in photodetectors as well as in gas sensors, provided that the mechanism by which the photo-current is generated and gas adsorption on the surface modify the conductivity of the material are known.

Caracterização da farinha e do amido isolado da semente de jaca e comportamento reológico de dispersões de amido

O amido é um ingrediente com grande versatilidade de aplicação, e as sementes de jaca, fruto bem difundido, porém pouco aproveitado no Brasil, contêm uma quantidade considerável de amido, sendo ainda fonte de ferro e proteínas. Dessa maneira, os objetivos desse projeto foram a obtenção da farinha de sementes de jaca das variedades mole e dura, a extração do amido utilizando diferentes solventes, e a caracterização de suas propriedades físico-químicas, estruturais e funcionais, bem como a caracterização reológica de dispersões/géis de amido em cisalhamento estacionário e oscilatório. A extração alcalina do amido, além de reduzir significativamente o conteúdo de lipídeos e proteínas, deixando o amido mais puro, promoveu um aumento no teor de amilose e influenciou diretamente as características de inchamento e solubilidade, que apresentaram aumento significativo a partir da temperatura de 70 °C. O aumento da temperatura ocasionou aumento no poder de inchamento e solubilidade, que foi mais pronunciado para a variedade dura, porém esses valores ainda foram considerados baixos (< 17%). Os amidos de sementes de jaca apresentaram grânulos lisos, arredondados e em forma de sino, com formato mais truncado para o amido extraído com hidróxido de sódio. O diâmetro médio dos grânulos de amido foi menor para a extração alcalina, mas sempre com comportamento monomodal. Foi observado um padrão de difração de Raios-X do tipo A para todas as amostras estudadas, e o índice de cristalinidade foi maior para os amidos de sementes de jaca dura, com uma redução estimada em 70% para os amidos obtidos por extração alcalina. A temperatura de gelatinização dos amidos de semente de jaca foi considerada alta (70-100 °C). Os amidos de sementes de jaca dura obtidos na extração com água apresentaram maiores valores de viscosidade de pico e de Breakdown, que representa menor resistência mecânica. A extração com solução de NaOH 0,1 M aumentou a tendência a retrogradação de ~36% (extração aquosa) para 64% e 45% dos amidos de sementes de jaca das variedades mole e dura, respectivamente. Todas as amostras apresentaram comportamento pseudoplástico (n < 1) nas concentrações e temperaturas estudadas, e as dispersões e/ou géis de amido obtidos pela extração alcalina com NaOH apresentaram menor tixotropia e maiores valores de viscosidade. Os modelos Lei da Potência e Herschel Bulkley apresentaram ótimos ajustes aos pontos experimentais (R² ~0,998) para as amostras com 2 e 6 % de amido, respectivamente, porém para a concentração de 5%, o melhor modelo foi função da variedade do fruto usado na obtenção do amido. A dependência das propriedades reológicas com a temperatura foi analisada pela equação de Arrhenius e a energia de ativação foi baixa (15-25 kJ/mol). Quanto ao comportamento viscoelástico, as amostras com 5 e 6% de amido apresentaram comportamento de gel fraco e o aumento da concentração desse polissacarídeo produziu um aumento na elasticidade do material. Os módulos de armazenamento (G\') associados à elasticidade do gel de amido aumentaram durante o seu resfriamento nos ensaios de varredura de temperatura, o que pode ser relacionado à recristalização da amilose durante esse processo e mantiveram-se praticamente constantes no aquecimento isotérmico a 80 °C, sugerindo boa estabilidade térmica do gel. A farinha isolada da semente de jaca pode ser considerada fonte de fibras e apresentou elevados teores de proteínas (~14-16%) e ferro (~85-150 mg/kg). A distribuição do tamanho de partículas da farinha apresentou comportamento bimodal, com grânulos arredondados, presença de fibras e uma matriz proteica envolvendo os grânulos de amido. As propriedades de pasta revelaram maior pico de viscosidade para a farinha de semente de jaca mole. As características encontradas sugerem que os amidos de semente de jaca poderiam ser aplicados na produção de filmes biodegradáveis, e a farinha da semente de jaca poderia ser utilizada em substituição parcial à farinha convencional na fabricação de bolos e biscoitos.

Instrumentação para a caracterização dielétrica de filmes biodegradáveis

A caracterização dielétrica de um material pode ser usada como uma técnica não destrutiva para avaliar e monitorar sua qualidade, bem como no entendimento da relação estrutura-propriedade de um material, através de suas propriedades dielétricas em função da frequência, temperatura, composição química do material, dentre outros. Na literatura há escassez de trabalhos e dados de caracterização dielétrica de filmes a base de biopolímeros. Diante desse contexto, o objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento e a construção de uma instrumentação alternativa a equipamentos disponíveis no mercado, como analisadores de rede e de impedância, que pudesse ser utilizada para a caracterização dielétrica de filmes biodegradáveis a base de gelatina. Foi utilizado o método de placas paralelas na determinação da parte real da permissividade conhecida como permissividade relativa ou constante dielétrica (ε\'). O circuito utilizado para a instrumentação foi um oscilador astável com funcionamento baseado no amplificador operacional (741) chaveado pela carga de um capacitor de placas paralelas cujo dielétrico foi uma amostra de filme biodegradável. A partir dos valores da frequência de oscilação e geometria do capacitor, foi possível calcular a capacitância de cada amostra e, consequentemente obter os valores da permissividade relativa do filme, usando relações básicas bem estabelecidas. Os filmes de gelatina foram produzidos pela técnica de casting sendo utilizados como plastificantes o glicerol (G), o sorbitol (S) e suas misturas, na proporção (G:S) de 30:70, 50:50 e 70:30. Os filmes foram caracterizados quanto à umidade e cristalinidade. A permissividade relativa (ε\') dos filmes, determinada a temperatura ambiente, foi avaliada em função da frequência (5 a 50 kHz), tempo de armazenamento, do teor de umidade e tipo de plastificante. A instrumentação projetada e construída foi capaz de medir com precisão a permissividade relativa das amostras, sendo que essa propriedade diminuiu com o aumento da frequência para todos os filmes. Mantendo-se a frequência constante, não houve variação de ε\' para os filmes de gelatina, independente do plastificante, ao longo de um mês de armazenamento a 24 ± 3 °C. O efeito da umidade foi observado em frequências menores que 25 kHz, sendo que quanto maior o teor de umidade maior a permissividade relativa. O efeito do tipo de plastificante na permissividade relativa dos filmes foi observado a baixas frequências (5 kHz) e filmes plastificados com sorbitol apresentaram maiores valores de ε\'. Os filmes plastificados com maior teor de umidade apresentaram menor cristalinidade, portanto maior mobilidade molecular e consequentemente maior a permissividade relativa.

Características de grãos e amido de diferentes cultivares de quinoa (Chenopodium quinoa Willd.)

Os grãos de quinoa possuem excelente balanço nutricional além das propriedades funcionais, comparativamente superior à dos cereais. A quinoa é cultivada em diversos países e, devido às suas características, têm aumentado o interesse de pesquisadores e consumidores. A quinoa contém pericarpo branco, no entanto, existem grãos com pericarpo vermelho e preto, e todos os tipos são utilizados como alimento em diferentes preparações. Com o objetivo de avaliar as características de grãos de quinoa, amostras de cor branca, preta e vermelha foram analisadas quanto às propriedades físico-químicas e funcionais dos grãos e do amido extraído das diferentes amostras. O amido, extraído pelo método alcalino, foi submetido as análises de teor de amilose, difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura (MEV), propriedades térmicas (por DSC-Differential Scanning Calorimeter) e propriedades de pasta (por RVA- Rapid Visco Analyser), além de suscetibilidade à hidrólise enzimática e cor. A composição físico-química dos grãos de quinoa apresentou como principais diferenças o teor de cinzas, fibras e amido. O teor de amilose variou de 13,6% a 21,3%, entre as amostras de amido; os padrões de cristalinidade dos amidos foram de tipo A, típico dos cereais; e, a cristalinidade relativa variou de 25,4 a 29,6 %; as micrografias obtidas por MEV apresentaram as formas poliédricas dos grânulos de amido. Os viscoamilogramas, obtidos para os diferentes amidos, mostraram um comportamento semelhante entre as amostras brancas e pretas. As propriedades térmicas de retrogradação das amostras de quinoa vermelha apresentaram uma menor taxa de retrogradação que variou de 7,5 a 8,5 %; as cultivares brancas apresentaram as maiores taxas de retrogradação de 19,0 a 25,4 %. A hidrólise enzimática dos grânulos de amido, analisada em equivalentes de maltose, variou de 7,2 a 8,7 mg/mL, com uma velocidade maior para a cultivar BSyB, em 60 minutos. O amido extraído das amostras brancas de quinoa apresentou valor de luminosidade de 99,0 e os amidos extraídos das amostras de cor vermelha e preta apresentaram em torno de 97,0. As análises realizadas neste estudo ampliam o conhecimento das características da quinoa de cor branca, vermelha e preta, além de mostrar que a cultivar brasileira (BSyB) apresenta características diferenciadas em vários parâmetros. Devido as suas propriedades todas as amostras analisadas possuem potencial para futuras aplicações tecnológicas.

Nanopartículas lipídicas sólidas e vesículas cataniônicas contendo ftalocianina de cloro alumínio aplicadas nos processos fotodinâmicos

O trabalho apresentado foi realizado em duas etapas independentes e baseou-se no estudo de diferentes sistemas nanométricos para viabilizar a aplicação da ftalocianina de cloro alumínio (ClAlPc) na terapia fotodinâmica (TFD) para o tratamento do câncer de pele do tipo melanoma. O fármaco fotossensibilizante (FS) utilizado apresenta propriedades físico-químicas que lhe permitem exercer sua atividade fotodinâmica com excelência, sem a interferência do cromóforo endógeno melanina existente nas células melanocíticas. Para driblar sua elevada hidrofobicidade, ClAlPc foi encapsulada em sistemas nanométricos para administração em meio fisiológico. Inicialmente nanopartículas lipídicas sólidas (NLS) foram desenvolvidas por emulsificação direta, após um estudo de elaboração do diagrama de fases. O compritol foi o lipídio sólido escolhido para compor as NLS, com diferentes concentrações de ClAlPc. Todas as formulações desenvolvidas foram devidamente caracterizadas, com tamanho médio entre 100 e 200 nm, baixa polidispersão, potencial zeta adequadamente negativo (~|30| mV), drug loading de ClAlPc entre 76-94% (com pequena redução após 24 meses) e alta eficiência de encapsulação (E.E.). A morfologia arredondada das nanopartículas foi confirmada por microscopia eletrônica de transmissão e de força atômica. A estabilidade das NLS foi de 24 meses. A avaliação da cristalinidade do lipídio revelou a integração da ClAlPc à matriz lipídica da NLS, presença de estruturas polimórficas e grau de cristalinidade adequado, sem alterações após 24 meses. Nos estudos de difusão in vitro, observou-se que ftalocianina encapsulada nas NLS acumulam-se preferencialmente na epiderme e derme do que no estrato córneo, sem traços de permeação do ativo. Foi confirmado o caráter biocompatível das NLS sobre fibroblastos NIH-3T3. A ftalocianina encapsulada nas NLS não foi tóxica na linhagem de melanoma B16-F10 na ausência de luz, porém, apresentou excelente efeito fototóxico (0,75 ?g mL-1 de ClAlPc nanoencapsulada e irradiação entre 0,5 e 2,0 J cm-2), com redução da viabilidade celular de 87%. O segundo sistema de veiculação estudado foram as vesículas cataniônicas (VesCat), que se formam espontaneamente em água com o tensoativo TriCat 12. A obtenção das vesículas contendo ClAlPc envolve uma etapa adicional, para remoção de solvente orgânico, que foi aprimorada, reduzindo o tempo de produção em 55%. As VesCat/ClAlPc obtidas mantiveram suas propriedades físico-químicas e morfologia arredondada (confirmada por microscopia eletrônica de varredura), drug loading de 47% e alta E.E. Os resultados comprovaram que a aplicação desses dois sistemas nanométricos é altamente eficiente para aplicação da TFD no tratamento do câncer de pele do tipo melanoma ou outras doenças cutâneas, apresentando características favoráveis para avanços nos estudos de fase clínica e pré-clínica.

Propriedades de soluções filmogênicas e de filmes de gelatina ou colágeno com extrato de boldo-do-Chile

Filmes à base de biopolímeros podem ser utilizados para produção de embalagens ativas, que além de proteger os alimentos, podem interagir com o produto. No caso de embalagens ativas com atividade antioxidante, tem-se privilegiado o uso de agentes antioxidantes naturais, considerando-se que o uso de antioxidantes sintéticos tem sido questionado, sobretudo em relação à sua inocuidade. Existem muitos extratos de plantas já conhecidos por sua atividade antioxidante, que têm sido utilizados com frequência em estudos de filmes à base de biopolímeros, não somente por serem ricos em polifenóis, mas principalmente por sua boa interação com a matriz polimérica. O extrato de boldo-do-Chile (Peumus boldus) possui atividade antioxidante comprovada, entretanto, não existem relatos sobre sua adição em filmes. Dessa forma, o objetivo geral desta tese foi o desenvolvimento de filmes à base de colágeno ou gelatina adicionados de extrato de boldo-do-Chile, com propriedades físicas e funcionais para seu emprego como embalagens bioativas. Foram realizadas as caracterizações (fenólicos totais, ABTS, DPPH, cor, °Brix e pH) do extrato aquoso de boldo-do-Chile, preparado em quatro diferentes temperaturas. Além disso, foram avaliadas as propriedades reológicas e térmicas da solução de gelatina, e também foram elaborados filmes com as soluções de gelatina e colágeno a partir de soluções filmogênicas com diferentes concentrações de macromoléculas e extrato de boldo. Esses filmes foram caracterizados para conhecimento de suas propriedades mecânicas (tração e perfuração), propriedades óticas (cor e opacidade), espessura, umidade e solubilidade em água. Uma concentração de macromoléculas foi escolhida para a realização de análises complementares, a saber: análises térmicas (DSC), cristalinidade por difração de raio X (DRX), permeabilidade ao vapor de água (PVA), microscopia eletrônica de varredura (MEV), brilho, espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), ângulo de contato, propriedades de barreira UV/Visível e atividade antioxidante. A adição do extrato de boldo-do-Chile nos filmes de gelatina e colágeno produziu filmes com atividade antioxidante, sem prejuízo às demais propriedades estudadas. Observou-se que o extrato aquoso de boldo-do-Chile apresentou propriedades antioxidantes, mas que foram dependentes da temperatura de extração. O extrato de boldo-do-Chile foi capaz de modificar as propriedades térmicas das soluções filmogênicas de gelatina, não sendo observado efeito nas análises reológicas. Por outro lado, o extrato aquoso de boldo-do-Chile não influenciou as propriedades mecânicas, solubilidade, umidade, cristalinidade e a permeabilidade ao vapor de água dos filmes de gelatina ou colágeno. Algumas propriedades térmicas sofreram efeito dos extratos, mas as análises de FTIR não mostraram a formação de novas interações. As propriedades óticas e de barreira UV/Visível foram influenciadas pelo extrato de boldo-do-Chile, sendo que os filmes se apresentaram mais amarelados com o aumento da concentração do extrato de boldo-do-Chile. As micrografias mostraram filmes de gelatina bastante homogêneos e filmes de colágeno com superfícies mais rugosas. Os resultados de brilho e ângulo de contato corroboraram com estas respostas. Em conclusão, os filmes de ambas macromoléculas apresentaram atividade antioxidante, podendo dessa forma, serem considerados como filmes ativos.

Estudo da cristalinidade de filmes finos de nitreto de índio e simulado pelo pacote de programas Wien2k

Neste trabalho, foi utilizado o método de deposição assistida por feixe de íons (IBAD na sigla em inglês) para produção de filmes finos de nitreto de índio em substratos de silício (111) e Safira-C. Variando as condições de deposição e utlilizando a técnica de difração de raios-X, investigou-se com o intuito de obter os parâmetros que resultam em filmes finos com melhor grau de cristalinidade. Os filmes produzidos a 380C apresentaram alta cristalinidade, superior àqueles a 250C. Temperaturas muito superiores a 380C não ocasionam a formação de filme cristalino de InN, como foi observado ao utilizar a temperatura de 480C; o mesmo se observa ao utilizar temperatura ambiente. Na temperatura considerada adequada ,de 380C, obteve-se que a utilização de Ra, ou seja, a razão de fluxo de partículas entre o nitrogênio e índio, em torno de 2,3 permite obter um melhor grau de cristalinização, o qual decresce conforme se diverge desse valor. A comparação entre difratogramas de amostras produzidas com e sem a evaporação prévia de titânio, o qual é possível observar um deslocamento dos picos do InN, indicam que o efeito Gettering permite a redução de impurezas no filme, principalmente de oxigênio. Utilizou-se a técnica de Retroespalhamento de Rutherford para obtenção da composição dos elementos e o perfil de profundidade. Notou-se uma forte mistura dos elementos do substrato de silício e safira com o nitreto de índio mesmo próximos a superfície. A presença indesejável de impurezas, principalmente o oxigênio, durante a deposição de filmes finos é praticamente inevitável. Desta forma, cálculos ab initio baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) foram realizados para investigar defeitos isolados e complexos de oxigênio no nitreto de índio e a sua influência nas propriedades óticas. Considerou-se diferentes concentrações de oxigênio (x=2,76, 8,32, 11,11 e 22,22%) aplicando-se o método PBEsolGGA e TB-mBJ para o tratamento da energia e potencial de troca e correlação. Obteve-se que é energeticamente favorável o oxigênio existir principalmente como defeito carregado e isolado. Os resultados utilizando a aproximação de TB-mBJ indicam um estreitamento do bandgap conforme a concentração de oxigênio aumenta. Entretanto, a alta contribuição do efeito de Moss-Burstein resulta num efetivo alargamento do band gap, gerando valores de band gap ótico maiores que no do bulk de nitreto de índio.

Obtenção e caracterização de amido termoplástico e de suas misturas com polipropileno.

Este trabalho está dividido em: obtenção e caracterização de amido termoplástico (TPS); estudo do envelhecimento do TPS e blendas de PP/TPS. O estudo do TPS, foi realizado utilizando amido de milho, 30% em massa de glicerol e outros componentes que variam entre as amostras. Primeiramente foi realizado um planejamento estatístico para obter a composição ótima de TPS. Foram escolhidos cinco parâmetros de entrada: 2 de composição (umidade e teor de ácido cítrico) e 3 de processamento (temperatura, velocidade dos rotores e tempo), visando obter um TPS com propriedades térmicas e mecânicas superiores. De acordo com os resultados de infravermelho, termogravimetria, microscopia ótica (MO) e microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram escolhidas 2 composições. Estas foram calandradas e confeccionadas para obtenção dos corpos de prova de tração. Os resultados dos ensaios mecânicos mostraram que amostras com teor de ácido cítrico de aproximadamente 2% em massa apresentam os maiores valores de módulo de elasticidade e resistência à tração. Com estes resultados foram realizadas novas composições com outros ácidos carboxílicos: adípico, málico e tartárico e amostras sem ácidos. As curvas de torque indicaram que as amostras sem ácido carboxílico e com ácido adípico perdem água durante o processamento. Analisando os resultados verifica-se que o TPS com os ácidos málico e tartárico apresentam melhores propriedades mecânicas e térmicas. Também foi analisado o envelhecimento, e notou-se que com o tempo as amostras tendem a perder plastificante, modificando suas propriedades mecânicas e sua cristalinidade. Entretanto, durante o intervalo de um ano, as amostras de TPS com ácido málico e tartárico não sofreram perda significativa de plastificante. Por último, foram obtidas blendas de PP reciclado com TPS nas composições 50/50, 60/40 e 70/30 em massa, respectivamente, com e sem adição de ácidos: cítrico, málico e tartárico e anidrido maleico. As amostras foram caracterizadas por FTIR, DRX, reometria capilar, MEV e por teste de resistência à tração. Micrografias obtidas por MEV indicaram que todas as composições estudadas possuem morfologia predominantemente co-contínua. A presença dos ácidos, geralmente, reduz os valores das propriedades mecânicas da blenda de PP com TPS e a adição de PP-g-MA é mais efetiva nas blendas sem adição de ácido. Ao analisar o envelhecimento das blendas com adição de ácidos tartárico e málico, notou-se que as propriedades mecânicas não foram alteradas em função do tempo de estocagem.

Obtenção e caracterização de PLA reforçado com nanocelulose.

A celulose é o polímero natural renovável disponível em maior abundância atualmente. Por possuir estrutura semicristalina, é possível extrair seus domínios cristalinos através de procedimentos que ataquem sua fase amorfa, como a hidrólise ácida, obtendo-se assim partículas cristalinas chamadas nanopartículas de celulose (NCs). Estas nanopartículas têm atraído enorme interesse científico, uma vez que possuem propriedades mecânicas, como módulo de elasticidade e resistência à tração, semelhantes a várias cargas inorgânicas utilizadas na fabricação de compósitos. Além disso, possuem dimensões nanométricas, o que contribui para menor adição de carga à matriz polimérica, já que possuem maior área de superfície, quando comparadas às cargas micrométricas. Nanocompósitos formados pela adição destas cargas em matrizes poliméricas podem apresentar propriedades comerciais atraentes, como barreira a gases, melhores propriedades térmicas e baixa densidade, quando comparados aos compósitos tradicionais. Como se trata de uma carga com dimensões nanométricas, obtida de fontes renováveis, uma das principais áreas de interesse para aplicação deste reforço é em biopolímeros biodegradáveis. O poli(ácido lático) (PLA), é um exemplo de biopolímero com propriedades mecânicas, térmicas e de processamento superiores a de outros biopolímeros comerciais. No presente trabalho foram obtidas nanopartículas de celulose (NCs), por meio de hidrólise ácida, utilizando-se três métodos distintos, com o objetivo de estudar o método mais eficiente para a obtenção de NCs adequadas à aplicação em compósitos de PLA. Os Métodos I e II empregam extração das NCs por meio do H2SO4, diferenciando-se apenas pela neutralização, a qual envolve diálise ou neutralização com NaHCO3, respectivamente. No Método III a extração das NCs foi realizada com H3PO4. As NCs foram caracterizadas por diferentes técnicas, como difração de raios X (DRX), análise termogravimétrica (TG), espectroscopia vibracional de absorção no infravermelho (FTIR), microscopia eletrônica de transmissão (MET) e microscopia de força atômica (MFA). Os resultados de caracterização das NCs indicaram que, a partir de todos os métodos utilizados, há formação de nanocristais de celulose (NCCs), entretanto, apenas os NCCs obtidos pelos Métodos II e III apresentaram estabilidade térmica suficiente para serem empregados em compósitos preparados por adição da carga no polímero em estado fundido. A incorporação das NCs em matriz de PLA foi realizada em câmara de mistura, com posterior moldagem por prensagem a quente. Compósitos obtidos por adição de NCs obtidas pelo Método II foram caracterizados por calorimetria exploratória diferencial (DSC), análise termogravimétrica, microscopia óptica, análises reológicas e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A adição de NCs, extraídas pelo Método II, em matriz de PLA afetou o processo de cristalização do polímero, o qual apresentou maior grau de cristalinidade. Além disso, a adição de 3% em massa de NCs no PLA foi suficiente para alterar seu comportamento reológico. Os resultados reológicos indicaram que a morfologia do compósito é, predominantemente, composta por uma dispersão homogênea e fina da carga na fase matriz. Micrografias obtidas por MEV corroboram os resultados reológicos, mostrando, predominantemente a presença de partículas de NC em escala nanométrica. Compósitos de PLA com NCs obtidas pelo Método III apresentaram aglomerados de partículas de NC em escala micro e milimétrica, ao longo da fase matriz, e não foram extensivamente caracterizados.

Triassic redbeds in the Malaguide Complex (Betic Cordillera — Spain): petrography, geochemistry and geodynamic implications

Sandstone petrography and mudstone mineralogy and geochemistry of Triassic mudstones and sandstones from continental redbeds of the Malaguide Complex (Betic Cordillera, southern Spain) provide useful information on provenance, palaeoclimate and geodynamics during the early stages of the Pangea break-up, and on their diagenetic evolution. The sandstones are quartzarenites to sub-litharenites, with minor lithic fragments and rare feldspars. The mudstone samples show a PAAS like elemental distribution. The samples likely record recycling processes from their metasedimentary basement rocks that significantly affected the weathering indices, and monitors cumulative effects, including a first cycle of weathering at the source rocks. Sandstone composition and chemical–mineralogical features of mudstones record a provenance derived from continental block and recycled orogen that were weathered under warm and episodically wet climate. Source areas were located towards the east of the present-day Malaguide outcrops, and were formed by fairly silicic rock types, made up mainly of Palaezoic metasedimentary rocks, similar to those of the Paleozoic underlying series, with subordinate contributions from magmatic–metamorphic sources, and a rare supply from mafic metavolcanic rocks. Clay-mineral distribution of mudstones is dominated by illite and illite/smectite mixed-layer that result from differences in provenance, weathering, and burial/temperature history. Illite crystallinity values, illitization of kaolinite, occurrence of typical authigenic minerals and apatite fission-track studies, coupled with a subsidence analysis of the whole Malaguide succession suggest burial depths of at least 4–6 km with temperatures of 140–160 °C, typical of the burial diagenetic stage, and confirm the Middle Miocene exhumation of the Betic Internal Domain tectonic stack topped by the Malaguide Complex.

Characterization of Poly(ε-caprolactone)-Based Nanocomposites Containing Hydroxytyrosol for Active Food Packaging

Antioxidant nano-biocomposites based on poly(ε-caprolactone) (PCL) were prepared by incorporating hydroxytyrosol (HT) and a commercial montmorillonite, Cloisite®30B (C30B), at different concentrations. A full structural, thermal, mechanical and functional characterization of the developed nano-biocomposites was carried out. The presence of the nanoclay and HT increased PCL crystallinity, whereas some decrease in thermal stability was observed. TEM analyses corroborated the good dispersion of C30B into the PCL macromolecular structure as already asserted by XRD tests, since no large aggregates were observed. A reduction in oxygen permeability and increase in elastic modulus were obtained for films containing the nanoclay. Finally, the presence of the nanoclay produced a decrease in the HT release from films due to some interaction between HT and C30B. Results proved that these nano-biocomposites can be an interesting and environmentally-friendly alternative for active food packaging applications with antioxidant performance.

Synthesis of high surface area TiO2 nanoparticles by mild acid treatment with HCl or HI for photocatalytic propene oxidation

Nanostructured TiO2 photocatalysts with small crystalline sizes have been synthesized by sol-gel using the amphiphilic triblock copolymer Pluronic P123 as template. A new synthesis route, based on the treatment of TiO2 xerogels with acid-ethanol mixtures in two different steps, synthesis and extraction-crystallization, has been investigated, analyzing two acids, hydrochloric and hydriodic acid. As reference, samples have also been prepared by extraction-crystallization in ethanol, being these TiO2 materials amorphous and presenting higher porosities. The prepared materials present different degrees of crystallinity depending on the experimental conditions used. In general, these materials exhibit high surface areas, with an important contribution of microporosity and mesoporosity, and with very small size anatase crystals, ranging from 5 to 7 nm. The activity of the obtained photocatalysts has been assessed in the oxidation of propene in gas phase at low concentration (100 ppmv) under a UVA lamp with 365 nm wavelength. In the conditions studied, these photocatalysts show different activities in the oxidation of propene which do not depend on their surface areas, but on their crystallinity and band gap energies, being sample prepared with HCl both during synthesis and in extraction-crystallizations steps, the most active one, with superior performance than Evonik P25.

Photocatalytic oxidation of propene in gas phase at low concentration by optimized TiO2 nanoparticles

In the present study, nanocrystalline titanium dioxide (TiO2) was prepared by sol–gel method at low temperature from titanium tetraisopropoxide (TTIP) and characterized by different techniques (gas adsorption, XRD, TEM and FTIR). Variables of the synthesis, such as the hydrolyzing agent (acetic acid or isopropanol) and calcination temperatures (300–800 °C), were analyzed to get uniform size TiO2 nanoparticles. The effect that these two variables have on the structure of the resultant TiO2 nanoparticles and on their photocatalytic activity is investigated. The photocatalytic activities of TiO2 nanoparticles were evaluated for propene oxidation at low concentration (100 ppmv) under two different kinds of UV light (UV-A ∼ 365 nm and UV-C ∼ 257.7 nm) and compared with Degussa TiO2 P-25, used as reference sample. The results show that both hydrolyzing agents allow to prepare TiO2 nanoparticles and that the hydrolyzing agent influences the crystalline structure and its change with the thermal treatments. Interestingly, the prepared TiO2 nanoparticles possess anatase phase with small crystalline size, high surface area and higher photocatalytic activity for propene oxidation than commercial TiO2 (Degussa P-25) under UV-light. Curiously, these prepared TiO2 nanoparticles are more active with the 365 nm source than with the 257.7 nm UV-light, which is a remarkable advantage from an application point of view. Additionally, the obtained results are particularly good when acetic acid is the hydrolyzing agent at both wavelengths used, possibly due to the high crystallinity, low anatase phase size and high surface oxygen groups’ content in the nanoparticles prepared with it, in comparison to those prepared using isopropanol.

Spherical activated carbon as an enhanced support for TiO2/AC photocatalysts

Titanium dioxide nanoparticles prepared in situ by sol–gel method were supported on a spherical activated carbon to prepare TiO2/AC hybrid photocatalysts for the oxidation of gaseous organic compounds. Additionally, a granular activated carbon was studied for comparison purposes. In both types of TiO2/AC composites the effect of different variables (i.e., the thermal treatment conditions used during the preparation of these materials) and the UV-light wavelength used during photocatalytic oxidation were analyzed. The prepared materials were deeply characterized (by gas adsorption, TGA, XRD, SEM and photocatalytic propene oxidation). The obtained results show that the carbon support has an important effect on the properties of the deposited TiO2 and, therefore, on the photocatalytic activity of the resulting TiO2/AC composites. Thus, the hybrid materials prepared over the spherical activated carbon show better results than those prepared over the granular one; a good TiO2 coverage with a high crystallinity of the deposited titanium dioxide, which just needs an air oxidation treatment at low-moderate temperature (350–375 °C) to present high photoactivity, without the need of additional inert atmosphere treatments. Additionally, these materials are more active at 365 nm than at 257.7 nm UV radiation, opening the possibility of using solar light for this application.

Combined Effect of Poly(hydroxybutyrate) and Plasticizers on Polylactic acid Properties for Film Intended for Food Packaging

Poly(lactic acid) PLA, and poly(hydroxybutyrate) PHB, blends were processed as films and characterized for their use in food packaging. PLA was blended with PHB to enhance the crystallinity. Therefore, PHB addition strongly increased oxygen barrier while decreased the wettability. Two different environmentally-friendly plasticizers, poly(ethylene glycol) (PEG) and acetyl(tributyl citrate) (ATBC), were added to these blends to increase their processing performance, while improving their ductile properties. ATBC showed higher plasticizer efficiency than PEG directly related to the similarity solubility parameters between ATBC and both biopolymers. Moreover, ATBC was more efficiently retained to the polymer matrix during processing than PEG. PLA–PHB–ATBC blends were homogeneous and transparent blends that showed promising performance for the preparation of films by a ready industrial process technology for food packaging applications, showing slightly amber color, improved elongation at break, enhanced oxygen barrier and decreased wettability.