Ecotoxicology of Nano-TiO2 An Evaluation of its Toxicity to Organisms of Aquatic Ecosystems

The production and use of synthetic nanoparticles is growing rapidly, and therefore the presence of these materials in the environment seems inevitable. Titanium dioxide (TiO2) presents various possible uses in industry, cosmetics, and even in the treatment of contaminated environments. Studies about the potential ecotoxicological risks of TiO2 nanoparticles (nano-TiO2) have been published but their results are still inconclusive. It should be noted that the properties of the diverse nano-TiO2 must be considered in order to establish experimental models to study their toxicity to environmentally relevant species. Moreover, the lack of descriptions and characterization of nanoparticles, as well as differences in the experimental conditions employed, have been a compromising factor in the comparison of results obtained in various studies. Therefore, the purpose of this paper is to make a simple review of the principal properties of TiO2, especially in nanoparticulate form, which should be considered in aquatic toxicology studies, and a compilation of the works that have been published on the subject.

Estudo da adição de polímero superabsorvente e de nano partículas de sílica para melhorar propriedades de concretos de alta resistência

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2016.

Nano-Engineering of Densely Packed Electrochemical Energy Storage Architectures by Atomic Layer Deposition

Nanostructures are highly attractive for future electrical energy storage devices because they enable large surface area and short ion transport time through thin electrode layers for high power devices. Significant enhancement in power density of batteries has been achieved by nano-engineered structures, particularly anode and cathode nanostructures spatially separated far apart by a porous membrane and/or a defined electrolyte region. A self-aligned nanostructured battery fully confined within a single nanopore presents a powerful platform to determine the rate performance and cyclability limits of nanostructured storage devices. Atomic layer deposition (ALD) has enabled us to create and evaluate such structures, comprised of nanotubular electrodes and electrolyte confined within anodic aluminum oxide (AAO) nanopores. The V2O5- V2O5 symmetric nanopore battery displays exceptional power-energy performance and cyclability when tested as a massively parallel device (~2billion/cm2), each with ~1m3 volume (~1fL). Cycled between 0.2V and 1.8V, this full cell has capacity retention of 95% at 5C rate and 46% at 150C, with more than 1000 charge/discharge cycles. These results demonstrate the promise of ultrasmall, self-aligned/regular, densely packed nanobattery structures as a testbed to study ionics and electrodics at the nanoscale with various geometrical modifications and as a building block for high performance energy storage systems[1, 2]. Further increase of full cell output potential is also demonstrated in asymmetric full cell configurations with various low voltage anode materials. The asymmetric full cell nanopore batteries, comprised of V2O5 as cathode and prelithiated SnO2 or anatase phase TiO2 as anode, with integrated nanotubular metal current collectors underneath each nanotubular storage electrode, also enabled by ALD. By controlling the amount of lithium ion prelithiated into SnO2 anode, we can tune full cell output voltage in the range of 0.3V and 3V. This asymmetric nanopore battery array displays exceptional rate performance and cyclability. When cycled between 1V and 3V, it has capacity retention of approximately 73% at 200C rate compared to 1C, with only 2% capacity loss after more than 500 charge/discharge cycles. With increased full cell output potential, the asymmetric V2O5-SnO2 nanopore battery shows significantly improved energy and power density. This configuration presents a more realistic test - through its asymmetric (vs symmetric) configuration – of performance and cyclability in nanoconfined environment. This dissertation covers (1) Ultra small electrochemical storage platform design and fabrication, (2) Electron and ion transport in nanostructured electrodes inside a half cell configuration, (3) Ion transport between anode and cathode in confined nanochannels in symmetric full cells, (4) Scale up energy and power density with geometry optimization and low voltage anode materials in asymmetric full cell configurations. As a supplement, selective growth of ALD to improve graphene conductance will also be discussed[3]. References: 1. Liu, C., et al., (Invited) A Rational Design for Batteries at Nanoscale by Atomic Layer Deposition. ECS Transactions, 2015. 69(7): p. 23-30. 2. Liu, C.Y., et al., An all-in-one nanopore battery array. Nature Nanotechnology, 2014. 9(12): p. 1031-1039. 3. Liu, C., et al., Improving Graphene Conductivity through Selective Atomic Layer Deposition. ECS Transactions, 2015. 69(7): p. 133-138.

Transporte de nano SiO₂ por migración a través de materiales cementantes

Uno de los nanos materiales más investigados actualmente es la nano-sílice, la cual ha despertado el interés de muchos investigadores debido a que está aportando grandes beneficios a los materiales base cemento. La nano-sílice ha demostrado que mejora las propiedades de los materiales cementantes tanto en estado fresco como en endurecido. Puede modificar las propiedades reológicas o la trabajabilidad en estado fresco, así como la resistencia a la compresión y la porosidad de las estructuras después de la etapa de endurecimiento. Es por esto que estas nano-partículas representan la oportunidad de realizar importantes avances que permitan optimizar el uso de los recursos actuales y el aprovechamiento de los materiales cementantes. En este trabajo, se está estudiando la posibilidad de utilizar la nano-sílice como un tratamiento superficial que ayude a disminuir el impacto del medio ambiente en estructuras en servicio que puedan presentar un cierto deterioro. Se analiza la utilización de nano-partículas en concreto en estado endurecido con el fin de mejorar su desempeño y sus aspectos de durabilidad. Por medio del método de migración electroquímica, basado en el transporte de partículas con cierta carga bajo la acción de un campo eléctrico, se favorece la penetración de nano-partículas de sílice hacia el interior de un mortero de cemento Portland desde una cara expuesta a una solución coloidal. Las partículas se mueven por acción del campo eléctrico hacia el ánodo situado en la cara opuesta de la probeta de mortero, dando lugar a una interacción química con la microestructura de la matriz cementante. Se ha observado que las partículas de sílice en esta solución coloidal empiezan a aglomerarse después de cierto periodo de tiempo y solidifican sobre la superficie expuesta de la probeta de mortero. Este material sólido ocasiona que la cantidad de corriente que circula por el circuito disminuya y por consiguiente baje la efectividad del mismo, ya que las partículas con carga eléctrica se mueven con mayor dificultad en medios solidos que en líquidos. Se encontró que la incorporación de nano-partículas de sílice a la matriz de mortero endurecido puede afectar el desempeño de una manera positiva frente a la penetración de cloruros, carbonatación y absorción de agua por capilaridad. De acuerdo a las respuestas eléctricas durante el tratamiento, se encontró que la resistencia eléctrica de las probetas aumenta, lo cual puede relacionarse con la modificación del sistema poroso debido al efecto filler de las nano-partículas; es decir, al refinar los poros, las cargas eléctricas encuentran menos espacio para moverse. Además las nano-partículas afectan químicamente a las fases de la pasta del cemento, ya que se encontró por microscopia electrónica de barrido que a una distancia entre 1.5 y 2 mm, aparecen aglomerados que enriquecen de silicio a las fases de la matriz del mortero y en otros casos, la migración cambia totalmente la apariencia del mortero y ocasiona valores de relaciones Ca/Si muy por debajo de los valores convencionales registrados en la literatura, con lo que es posible pensar que puede existir una actividad puzzolanica.

Influencia de la inserción de nano-óxidos cerámicos sobre la microestructura y propiedades de una porcelana triaxial.

La nanociencia y nanotecnología han revolucionado las investigaciones en ciencia de los materiales, permitiendo el desarrollo de nuevos productos con desempeño superior a los convencionales. Conceptos nanotecnológicos como la adición de partículas en tamaños nanométricos para incrementar las propiedades finales han sido demostrados en cerámicos, sin embargo esta alternativa prácticamente no ha sido investigada en sistemas porcelánicos, específicamente en porcelanas triaxiales con aplicaciones eléctricas. Este trabajo de investigación presenta el desarrollo de una formulación de porcelana triaxial silicosa, de grado eléctrico, con características mecánicas y dieléctricas mejoradas mediante la incorporación de nanopartículas cerámicas. Se estudió la influencia de la adición de dos tipos de óxidos cerámicos en tamaño nanométrico, α- alúmina (α-Al2O3) y circonia (ZrO2), en las propiedades y microestructura de la porcelana triaxial, al variar la concentración de las nanopartículas en la composición inicial. En la primera parte de la experimentación, se elaboraron probetas experimentales siguiendo un proceso a nivel laboratorio haciendo uso de un conformado por presión uniaxial. Posteriormente, se elaboraron pastas porcelánicas a nivel planta-prototipo mediante un proceso de conformado por extrusión plástica. Las probetas sinterizadas fueron caracterizadas mediante evaluaciones físicas tales como densidad, porosidad, absorción de humedad y contracción lineal; así mismo se llevaron a cabo análisis microestructurales y de fases a través de las técnicas de DR-X, MEB y DSC-TGA. Por último, se realizaron evaluaciones mecánicas por medio de ensayos de resistencia a la compresión y módulo de ruptura (por tres puntos), así como la evaluación de la capacidad aislante con pruebas de resistencia dieléctrica. Los resultados obtenidos demuestran que la inserción de nanopartículas de alúmina y circonia, ayudan en el reforzamiento mecánico del sistema porcelánico triaxial estudiado, además de mejorar sus características dieléctricas, lo que representa una alternativa tecnológicamente factible para mejorar el desempeño de productos de porcelana, como es el caso de aisladores eléctricos

Avances en el proyecto “Determinación de la forma exacta de la tierra a través de MEMS en un Nano-Satélite”

El presente trabajo muestra el avance que se tiene en el proyecto denominado “Diseño y Construcción de un Nano-Satélite”, que se lleva a cabo en la ESIME U.P.-Ticoman del Instituto Politécnico Nacional. Este proyecto tiene como objetivo principal introducir a los alumnos en el que hacer espacial, se trata de un satélite con un peso de un kilogramo y es un cubo de 10 cm de lado y cuya carga útil tiene MEMS (sistema de micro-electromecánicos) que harán las veces de péndulo electrónico, lo anterior y los armónicos gravitacionales permitirán determinar la forma de la tierra. Se presenta el fundamento matemático, los componentes del satélite, el diseño preliminar de la estructura, la manufactura de la estructura, los resultados de un ensaye estructural destructivo y el análisis estático por elementos finitos.

Highly localized accelerating beams using nano-scale metallic gratings

Spatially accelerating beams are non-diffracting beams whose intensity is localized along curvilinear trajectories, also incomplete circular trajectories, before diffraction broadening governs their propagation. In this paper we report on numerical simulations showing the conversion of a high-numerical-aperture focused beam into a nonparaxial shape-preserving accelerating beam having a beam-width near the diffraction limit. Beam shaping is induced near the focal region by a diffractive optical element that consists of a non-planar subwavelength grating enabling a Bessel signature.

Comb-like acrylic-based polymer latexes containing nano-sized crystalline or liquid crystalline domains

306 p.

Consolidação de suportes com pintura mural: síntese e caraterização de materiais nano-estruturados

Está em curso no Laboratório HERCULES / LNEC um estudo relacionado com o desenvolvimento de novos materiais nano-estruturados e inovadores, destinados à conservação do Património Cultural, mais precisamente, para a consolidação de pintura mural. Numa primeira fase, serão sintetizados materiais de consolidação à base de cal, com tamanho e morfologia controlados, compatíveis, eficazes, de longa durabilidade após aplicação e ambientalmente sustentáveis.

Advanced Functional Organic-Inorganic Hybrid (Nano)Materials: from Theranostics to Organic Electronics and Additive Manufacturing

This work is going to show the activities performed in the frame of my PhD studies at the University of Bologna, under the supervision of Prof. Mauro Comes Franchini, at the Department of Industrial Chemistry “Toso Montanari”. The main topic of this dissertation will be the study of organic-inorganic hybrid nanostructures and materials for advanced applications in different fields of materials technology and development such as theranostics, organic electronics and additive manufacturing, also known as 3D printing. This work is therefore divided into three chapters, that recall the fundamentals of each subject and to recap the state-of-the-art of scientific research around each topic. In each chapter, the published works and preliminary results obtained during my PhD career will be discussed in detail.

Caratterizzazione di bioelettrodi elastici a polimero semiconduttore nano-strutturato

Nell'ambito della medicina bioelettronica vi è un grande interesse nello sviluppo di bioelettrodi elastici ad interfaccia nanostrutturata per la rilevazione dei segnali elettrici del sistema nervoso. Uno dei materiali organici più performanti è il polimero conduttivo 3,4-polietilenediossitiofene (PEDOT), drogato col polianione polistirene sulfonato (PSS) a formare il PEDOT:PSS nanocomposito. Questo composto tende però a perdere le proprietà elettrochimiche di partenza quando sottoposto a stress meccanico. Per ottenere una caratterizzazione del materiale è stata esaminata la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) come funzione della frequenza temporale di alcuni elettrodi d' oro rivestiti di PEDOT:PSS elettrodepositato, utilizzando dei substrati microfabbricati. Sono stati inoltre eseguiti confronti con bioelettrodi PEDOT:PSS con l'aggiunta di glicole polietilenico (PEG) in fase di deposizione elettrochimica, un plastificante che migliora le proprietà elastiche dei bioelettrodi. Al fine di ottenere una caratterizzazione topologica dei dispositivi, si è fatto uso di un Microscopio a Forza Atomica (AFM). Infine, è stata elaborata una metodologia per caratterizzare i dispositivi sotto l'azione di uno stress meccanico molto ricorrente nelle applicazioni mediche. Si è constato che gli spettri di impedenza dei bioelettrodi possono essere ragionevolmente descritti da un circuito equivalente formato da una resistenza in serie ad una capacità. I parametri ricavati tramite questo modello sembrano suggerire inoltre un'analogia quantitativa nel comportamento del PEDOT:PSS e del PEDOT:PSS:PEG.

Studio e preparazione di nano e microparticelle proteiche biocompatibili caricate con principi attivi per applicazioni in industrie farmaceutiche e cosmetiche

Negli ultimi decenni i settori farmaceutico e cosmeceutico hanno aumentato costantemente gli investimenti nella ricerca, in modo da garantire soluzioni terapeutiche ad uno spettro di patologie più ampio possibile. È emersa quindi la necessità di migliorare la veicolazione e l’efficacia dei farmaci, ovvero di sviluppare “Drug Delivery Systems” innovativi. Kerline srl si è affacciata a questo specifico mercato, proponendo l’utilizzo di un materiale cheratinoso, estratto da lana e solubile in ambiente acquoso, per la produzione di sistemi micro e nanoparticellari caricati con composti lipofili. Durante lo svolgimento del tirocinio, sono state ottimizzate le procedure di estrazione di due diverse forme di cheratina, una ad alto peso molecolare e una idrolizzata. Queste sono state poi caricate con alcuni principi attivi (acido azelaico, α-tocoferolo acetato e tioconazolo) e le particelle ottenute sono state studiate tramite varie tecniche (DLS/PALS, SEM, Spettroscopia FTIR-ATR, UV-Vis e NMR). Complessivamente, le sospensioni colloidali ottenute sono dotate di buona stabilità sia nel tempo che dal punto di vista termico e mostrano quindi l’ottima compatibilità della cheratina con composti di varia natura.

Sintesi, caratterizzazione e nano-strutturazione di politiofeni e loro applicazione in celle solari

Negli ultimi decenni i polimeri coniugati, grazie alla loro peculiarità di essere dei semiconduttori organici, hanno attirato l’attenzione della ricerca scientifica, e tra questi composti rientrano i politiofeni. Versatilità, robustezza chimica strutturale e fluorescenza sono alcune delle proprietà che caratterizzano tali composti e che hanno permesso di esplorare nuovi materiali da un punto di vista scientifico e tecnologico. Recentemente molto interessanti sono risultate essere le nanoparticelle politiofeniche poiché permettono di modulare le proprietà chimico-fisiche dei relativi polimeri, ampliandone le potenzialità a trovare applicazione in molteplici dispositivi elettronici, tra cui le celle solari (CS) organiche. Infatti, molto attivo è l’interesse della comunità scientifica per ottimizzare questi dispositivi ricercando nuovi prodotti che soddisfino diversi requisiti, come riduzione dell’impatto ambientale, la facilità di preparazione e compatibilità con substrati flessibili. In tale contesto, uno degli obiettivi della ricerca attualmente si focalizza sulla preparazione di nuovi accettori da usare in CS organiche alternativi ai derivati fullerenici, i quali presentano diversi svantaggi. Alla luce dei più recenti risultati si è visto che i politiofeni push-pull, caratterizzati dall’alternanza di gruppi accettori (A) e gruppi donatori (D), hanno una notevole potenzialità a rimpiazzare tali materiali e ad essere usati come accettori non-fullerenici. Infatti, questi hanno permesso di ottenere buoni risultati in termini di conversioni ed efficienze delle celle fotovoltaiche. Lo scopo di questo lavoro di tesi è sintetizzare sei nuovi polimeri a base tiofenica (quattro con sequenza A-D e due con sequenza A-A) per studiarne le possibili applicazioni come materiali accettori non-fullerenici e la loro organizzazione in strutture ordinate di nanoparticelle.