Caracterização físico-química e avaliação dos níveis de elementos-traço em sedimentos de manguezais das baías da Ilha Grande e de Sepetiba, RJ, por metodologias de digestão ácida assistidas por micro-ondas

O presente trabalho teve como objetivo principal comparar dois métodos de extração de elementos-traço em sedimentos que são assistidos por radiação micro-ondas. Foram coletadas amostras de sedimentos superficiais em um manguezal localizado na baía da Ilha Grande e em três manguezais localizados na baía de Sepetiba, RJ. As amostras de sedimentos coletadas foram secas, destorroadas e peneiradas. Sub-amostras foram submetidas a análises de caracterização física e química. Os métodos de extração de elementos-traço comparados foram o EPA-3051A e o método água régia assistido por micro-ondas. Os elementos-traço analisados foram: Cd, Cr, Cu, Ni, Pb e Zn. As concentrações dos elementos-traço nos extratos produzidos foram determinadas por FAAS (Espectrometria de absorção atômica com chama). Foram encontradas nos sedimentos dos manguezais estudados concentrações acima dos níveis estabelecidos pela Resolução CONAMA 344/2004 para os elementos-traço: Cd, Ni, Pb e Zn. Os resultados mostraram que as capacidades de extração de elementos-traço dos métodos EPA-3051A e água régia assistido por micro-ondas variam em função das características físico-químicas dos sedimentos. A análise estatística pela técnica de regressão linear simples mostrou que as duas metodologias são estatisticamente similares apenas para o Cr e os valores dos coeficientes de determinação (R2) obtidos obedeceram à seqüência: Cu > Pb > Zn > Ni > Cr > Cd. Na análise pela técnica estatística de regressão linear múltipla ocorreram melhorias estatisticamente significativas nos coeficientes de determinação quando foram incluídas as seguintes variáveis independentes: potencial redox e fósforo total para o Cd, argila para o Cr, areia para o Ni e fósforo total para o Pb e para o Zn

Fiber-optic integration and efficient detection schemes for optomechanical resonators

With the advent of the laser in the year 1960, the field of optics experienced a renaissance from what was considered to be a dull, solved subject to an active area of development, with applications and discoveries which are yet to be exhausted 55 years later. Light is now nearly ubiquitous not only in cutting-edge research in physics, chemistry, and biology, but also in modern technology and infrastructure. One quality of light, that of the imparted radiation pressure force upon reflection from an object, has attracted intense interest from researchers seeking to precisely monitor and control the motional degrees of freedom of an object using light. These optomechanical interactions have inspired myriad proposals, ranging from quantum memories and transducers in quantum information networks to precision metrology of classical forces. Alongside advances in micro- and nano-fabrication, the burgeoning field of optomechanics has yielded a class of highly engineered systems designed to produce strong interactions between light and motion.

Optomechanical crystals are one such system in which the patterning of periodic holes in thin dielectric films traps both light and sound waves to a micro-scale volume. These devices feature strong radiation pressure coupling between high-quality optical cavity modes and internal nanomechanical resonances. Whether for applications in the quantum or classical domain, the utility of optomechanical crystals hinges on the degree to which light radiating from the device, having interacted with mechanical motion, can be collected and detected in an experimental apparatus consisting of conventional optical components such as lenses and optical fibers. While several efficient methods of optical coupling exist to meet this task, most are unsuitable for the cryogenic or vacuum integration required for many applications. The first portion of this dissertation will detail the development of robust and efficient methods of optically coupling optomechanical resonators to optical fibers, with an emphasis on fabrication processes and optical characterization.

I will then proceed to describe a few experiments enabled by the fiber couplers. The first studies the performance of an optomechanical resonator as a precise sensor for continuous position measurement. The sensitivity of the measurement, limited by the detection efficiency of intracavity photons, is compared to the standard quantum limit imposed by the quantum properties of the laser probe light. The added noise of the measurement is seen to fall within a factor of 3 of the standard quantum limit, representing an order of magnitude improvement over previous experiments utilizing optomechanical crystals, and matching the performance of similar measurements in the microwave domain.

The next experiment uses single photon counting to detect individual phonon emission and absorption events within the nanomechanical oscillator. The scattering of laser light from mechanical motion produces correlated photon-phonon pairs, and detection of the emitted photon corresponds to an effective phonon counting scheme. In the process of scattering, the coherence properties of the mechanical oscillation are mapped onto the reflected light. Intensity interferometry of the reflected light then allows measurement of the temporal coherence of the acoustic field. These correlations are measured for a range of experimental conditions, including the optomechanical amplification of the mechanics to a self-oscillation regime, and comparisons are drawn to a laser system for phonons. Finally, prospects for using phonon counting and intensity interferometry to produce non-classical mechanical states are detailed following recent proposals in literature.

Gestão de saúde, segurança, meio ambiente e responsabilidade social em micro e pequenas empresas recicladoras de plásticos PEBD e PET no Estado do Rio de Janeiro

A presente dissertação tem como tema a gestão de saúde, segurança, meio ambiente e responsabilidade social em micro e pequenas empresas recicladoras de plásticos PEBD e PET no Estado do Rio de Janeiro. A reciclagem de plástico contribui para minimizar os resíduos sólidos gerados pelos processos industriais. O objetivo geral deste estudo é verificar como as atividades de reciclagem impactam na saúde e na segurança do trabalhador e levantar algumas questões relacionadas com a responsabilidade sócio-ambiental, com destaque para o atendimento às normas regulamentadoras, legislação de saúde, segurança e meio ambiente aplicável e sistemas de gestão. Para atingir tal objetivo, a metodologia do presente estudo foi dividida em: pesquisa bibliográfica, elaborada através de consultas a livros, a artigos, a legislação e a bancos de dados de reconhecida credibilidade; elaboração de um questionário direcionado; visitas técnicas, e entrevistas com os encarregados ou donos das empresas, a fim de obter dados para avaliar as condições de trabalho relativas à saúde e segurança, meio ambiente e responsabilidade social. Durante esta etapa foram visitadas quatro recicladoras de plástico, todas situadas no Estado do Rio de Janeiro, sendo três do segmento de PEBD e uma de PET. Os resultados obtidos mostram que, numa avaliação global, apenas 24% dos itens avaliados foram atendidos na sua íntegra, o que demonstra um baixo índice de atendimento às questões relativas à saúde, segurança e meio ambiente e responsabilidade social. Nas avaliações individuais destes mesmos itens constatou-se que o atendimento foi de 38%, 10% e 54%, respectivamente. Enfim, o presente estudo mostra que há necessidade de maior atenção aos requisitos relativos à saúde e segurança do trabalhador, ao meio ambiente e às questões sociais, em função dos riscos do processo de produção do plástico reciclado

Modificação química da poliacrilonitrila com grupos tetrazol assistida por micro-ondas

Nos últimos anos, a irradiação por micro-ondas tem sido cada vez mais usada na síntese de varias moléculas orgânicas, devido a uma série de vantagens que essa nova tecnologia apresenta. Até o momento, existem poucos estudos sobre polimerizações assistidas por micro-ondas e menos ainda sobre a modificação de polímeros usando essa nova fonte de energia. Polímeros heterocíclicos contendo anéis azóicos, como o tetrazol possuem interesse acadêmico e comercial devido as suas várias aplicações. Nesta Dissertação foi estuda a modificação química da poliacrilonitrila pela incorporação em sua cadeia polimérica de 10% de grupos tetrazol empregando-se a irradiação de micro-ondas e o método convencional (térmico). Foram utilizados um forno de micro-ondas doméstico e um reator de micro-ondas monomodo nas reações assistidas por micro-ondas. As reações em reator foram realizadas em vaso aberto, em solução (DMF) ou em massa, sendo variado o tempo e a temperatura reacional, bem como a potência do equipamento. Os copolímeros produzidos foram caracterizados por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR) e os teores de grupos tetrazol incorporados na PAN foram determinados por titulometria de neutralização. A poliacrilonitrila foi modificada quimicamente com sucesso tanto no forno doméstico quanto no reator de micro-ondas, como foi verificado pela sua análise de FTIR. Pela determinação do grau de incorporação de grupos tetrazol nos polímeros concluiu-se que, para a reação em solução, nas temperaturas mais elevas, bem como em uma potência maior, o teor de heterocíclico incorporado no polímero está muito próximo do valor obtido pelo método convencional. Já as reações conduzidas em massa apresentaram graus de incorporação inferiores as das feitas em solução.

Ecologia de Astyanax taeniatus na Bacia do Rio Mato Grosso, Saquarema - RJ: Dieta, uso do micro-hábitat e uma breve análise comportamental

Neste trabalho tivemos como objetivo caracterizar a dieta, uso do habitat e padrões comportamentais de Astyanax taeniatus da bacia do Rio Mato Grosso, que encontra-se na porção leste do Estado do Rio de Janeiro (22 52 S; 42 40 W e 22 53 S; 42 34 W). Para a análise da dieta, os exemplares foram coletados bimestralmente entre março de 2006 e janeiro de 2007 em três localidades que diferiram pelas variáveis físicas. As observações de uso dos recursos do habitat foram realizadas por observação subaquática, na posição focal dos exemplares avistados, enquanto a quantificação da disponibilidade foi realizada em 50 quadrats de 20x20cm (400cm2) ao longo dos mesmos 50m onde foi realizada a observação sub-aquática. A análise do conteúdo estomacal de 651 exemplares foi realizada sob microscópio estereoscópico de acordo com métodos qualitativos e quantitativos (Freqüência de Ocorrência e Volumétrica). A participação relativa de cada item registrado nos estômagos em relação à totalidade da dieta foi analisada através do Índice Alimentar (IAi). Para verificar possíveis diferenças entre as proporções dos itens de origem animal e vegetal, autóctone e alóctone, os valores proporcionais foram testados pelo 2 de contingência. A partir dos dados de comprimento padrão e comprimento do intestino, foi calculado o valor do quociente intestinal. Os itens de origem vegetal tiveram maior contribuição na dieta da espécie para as localidades com maior altitude, enquanto os itens animais tiveram maior contribuição na localidade baixa. A diferença na contribuição dos itens de origem autóctone e alóctone também foi significativa. Na dieta de jovens e adultos, houve diferença significativa na contribuição de itens de origem vegetal e animal somente na localidade mais alta, onde os adultos consumiram maior quantidade de matéria vegetal. Os valores médios de quociente intestinal em jovens e adultos foram significativamente diferentes nas localidades de maior altitude, com valores maiores para indivíduos adultos. Observamos 52% dos indivíduos em profundidades entre 30 e 45 cm, 72% em áreas de rápido, 72% em velocidades entre 0 e 0,5km/h, 66% encontravam-se distantes da margem entre 40 e 120 cm, 37,6% em substrato do tipo areia e 34,4% em substrato do tipo pedra. De todos os padrões comportamentais observados, aquele que mais se destacou foi o forrageamento, onde 70,91% dos indivíduos estavam forrageando no meio da coluna dágua. Os resultados da dieta reforçam a idéia de as espécies de Astyanax têm hábito alimentar onívoro e oportunista, onde a espécie alimentou-se dos recursos disponíveis no ambiente evidenciando sua alta plasticidade alimentar ao longo do riacho. Espécies do gênero Astyanax são consideradas generalistas em relação ao uso do habitat e altamente ativas, corroborando com os resultados do presente estudo.

Toxicidade e bioacumulação de cobre em micro-organismos fotoautotróficos

Microalgas e cianobactérias têm sido amplamente recomendadas para biomonitoração de metais pesados e outros poluentes, sendo considerados indicadores sensíveis às alterações ambientais e utilizados como organismos testes na regulamentação dos níveis de metal. Estes micro-organismos fotossintetizantes são produtores primários da base da cadeia alimentar aquática e são os primeiros a serem afetados pela poluição por metais pesados. O cobre é um metal normalmente considerado como nutriente essencial para a vida aquática mas pode ser tóxico para algumas espécies. Portanto, neste estudo foram avaliados o efeito tóxico e a bioacumulação de cobre (II) em quatro espécies de micro-organismos fotoautotróficos componentes do fitoplâncton dulcícola, duas cianobactérias filamentosas (Anabaena sp. e Oscillatoria sp) e duas microalgas da classe das clorofíceas (Monorraphidium sp. e Scenedesmus sp.). O meio de cultivo utilizado nos ensaios foi o ASM-1 com e sem a presença de cobre (0,6 mg/L a 12 mg Cu2+/L) onde, o efeito tóxico do metal foi monitorado por contagem celular para as microalgas e por peso seco para as cianobactérias. A bioacumulação do metal foi avaliada da mesma forma para todos os micro-organismos, através de coletas de amostras no decorrer do experimento e determinação da concentração de cobre em solução por espectrometria de absorção atômica com chama. Os resultados obtidos mostram que o efeito tóxico do metal é diretamente proporcional à concentração inicial para os micro-organismos estudados, mas que o cobre (II) foi mais tóxico para as cianobactérias que para as microalgas verdes. A bioacumulação teve uma relação direta com o efeito tóxico do metal sobre os micro-organismos. Os resultados obtidos permitem sugerir que cobre (II) tem efeito negativo no fitoplâncton, inibindo o crescimento e alterando parâmetros metabólicos como a fotossíntese. A bioacumulação do metal pode comprometer os níveis tróficos da cadeia alimentar, afetando seu transporte para seres superiores

Dynamic characterization of micro-particle systems

Ordered granular systems have been a subject of active research for decades. Due to their rich dynamic response and nonlinearity, ordered granular systems have been suggested for several applications, such as solitary wave focusing, acoustic signals manipulation, and vibration absorption. Most of the fundamental research performed on ordered granular systems has focused on macro-scale examples. However, most engineering applications require these systems to operate at much smaller scales. Very little is known about the response of micro-scale granular systems, primarily because of the difficulties in realizing reliable and quantitative experiments, which originate from the discrete nature of granular materials and their highly nonlinear inter-particle contact forces.

In this work, we investigate the physics of ordered micro-granular systems by designing an innovative experimental platform that allows us to assemble, excite, and characterize ordered micro-granular systems. This new experimental platform employs a laser system to deliver impulses with controlled momentum and incorporates non-contact measurement apparatuses to detect the particles’ displacement and velocity. We demonstrated the capability of the laser system to excite systems of dry (stainless steel particles of radius 150 micrometers) and wet (silica particles of radius 3.69 micrometers, immersed in fluid) micro-particles, after which we analyzed the stress propagation through these systems.

We derived the equations of motion governing the dynamic response of dry and wet particles on a substrate, which we then validated in experiments. We then measured the losses in these systems and characterized the collision and friction between two micro-particles. We studied wave propagation in one-dimensional dry chains of micro-particles as well as in two-dimensional colloidal systems immersed in fluid. We investigated the influence of defects to wave propagation in the one-dimensional systems. Finally, we characterized the wave-attenuation and its relation to the viscosity of the surrounding fluid and performed computer simulations to establish a model that captures the observed response.

The findings of the study offer the first systematic experimental and numerical analysis of wave propagation through ordered systems of micro-particles. The experimental system designed in this work provides the necessary tools for further fundamental studies of wave propagation in both granular and colloidal systems.

A Multiwavelength Study of the Intracluster Medium and the Characterization of the Multiwavelength Sub/millimeter Inductance Camera

The first part of this thesis combines Bolocam observations of the thermal Sunyaev-Zel’dovich (SZ) effect at 140 GHz with X-ray observations from Chandra, strong lensing data from the Hubble Space Telescope (HST), and weak lensing data from HST and Subaru to constrain parametric models for the distribution of dark and baryonic matter in a sample of six massive, dynamically relaxed galaxy clusters. For five of the six clusters, the full multiwavelength dataset is well described by a relatively simple model that assumes spherical symmetry, hydrostatic equilibrium, and entirely thermal pressure support. The multiwavelength analysis yields considerably better constraints on the total mass and concentration compared to analysis of any one dataset individually. The subsample of five galaxy clusters is used to place an upper limit on the fraction of pressure support in the intracluster medium (ICM) due to nonthermal processes, such as turbulent and bulk flow of the gas. We constrain the nonthermal pressure fraction at r500c to be less than 0.11 at 95% confidence, where r500c refers to radius at which the average enclosed density is 500 times the critical density of the Universe. This is in tension with state-of-the-art hydrodynamical simulations, which predict a nonthermal pressure fraction of approximately 0.25 at r500c for the clusters in this sample.

The second part of this thesis focuses on the characterization of the Multiwavelength Sub/millimeter Inductance Camera (MUSIC), a photometric imaging camera that was commissioned at the Caltech Submillimeter Observatory (CSO) in 2012. MUSIC is designed to have a 14 arcminute, diffraction-limited field of view populated with 576 spatial pixels that are simultaneously sensitive to four bands at 150, 220, 290, and 350 GHz. It is well-suited for studies of dusty star forming galaxies, galaxy clusters via the SZ Effect, and galactic star formation. MUSIC employs a number of novel detector technologies: broadband phased-arrays of slot dipole antennas for beam formation, on-chip lumped element filters for band definition, and Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs) for transduction of incoming light to electric signal. MKIDs are superconducting micro-resonators coupled to a feedline. Incoming light breaks apart Cooper pairs in the superconductor, causing a change in the quality factor and frequency of the resonator. This is read out as amplitude and phase modulation of a microwave probe signal centered on the resonant frequency. By tuning each resonator to a slightly different frequency and sending out a superposition of probe signals, hundreds of detectors can be read out on a single feedline. This natural capability for large scale, frequency domain multiplexing combined with relatively simple fabrication makes MKIDs a promising low temperature detector for future kilopixel sub/millimeter instruments. There is also considerable interest in using MKIDs for optical through near-infrared spectrophotometry due to their fast microsecond response time and modest energy resolution. In order to optimize the MKID design to obtain suitable performance for any particular application, it is critical to have a well-understood physical model for the detectors and the sources of noise to which they are susceptible. MUSIC has collected many hours of on-sky data with over 1000 MKIDs. This work studies the performance of the detectors in the context of one such physical model. Chapter 2 describes the theoretical model for the responsivity and noise of MKIDs. Chapter 3 outlines the set of measurements used to calibrate this model for the MUSIC detectors. Chapter 4 presents the resulting estimates of the spectral response, optical efficiency, and on-sky loading. The measured detector response to Uranus is compared to the calibrated model prediction in order to determine how well the model describes the propagation of signal through the full instrument. Chapter 5 examines the noise present in the detector timestreams during recent science observations. Noise due to fluctuations in atmospheric emission dominate at long timescales (less than 0.5 Hz). Fluctuations in the amplitude and phase of the microwave probe signal due to the readout electronics contribute significant 1/f and drift-type noise at shorter timescales. The atmospheric noise is removed by creating a template for the fluctuations in atmospheric emission from weighted averages of the detector timestreams. The electronics noise is removed by using probe signals centered off-resonance to construct templates for the amplitude and phase fluctuations. The algorithms that perform the atmospheric and electronic noise removal are described. After removal, we find good agreement between the observed residual noise and our expectation for intrinsic detector noise over a significant fraction of the signal bandwidth.