High-Resolution Microwave Near-Field Imaging Using Resonance Probes

A novel microwave high-resolution near-field imaging technique is proposed and experimentally evaluated in reflectometry imaging scenarios involving planar metal-dielectric structures. Two types of resonance near field probes-a small helix antenna and a loaded subwavelength slot aperture are studied in this paper. These probes enable very tight spatial field localization with the full width at half maximum around one tenth of a wavelength, λ, at λ/100-λ/10 standoff distance. Importantly, the proposed probes permit resonance electromagnetic coupling to dielectric or printed conductive patterns, which leads to the possibility of very high raw image resolution with imaged feature-to-background contrast greater than 10-dB amplitude and 50° phase. In addition, high-resolution characterization of target geometries based on the cross correlation image processing technique is proposed and assessed using experimental data. It is shown that printed elements features with subwavelength size ~λ/15 or smaller can be characterized with at least 10-dB resolution contrast.

Molecular phylogenetic analysis of a known and a new hydrothermal vent octopod:Their relationships with the genus Benthoctopus (Cephalopoda: Octopodidae)

The resolution of evolutionary relationships among deep-sea incirrate octopuses has been hindered by the paucity of individuals available for morphological studies and by the lack of tissue samples preserved using fixatives compatible with simple DNA extraction techniques. Evolutionary relationships from 11 species of deep-sea incirrate octopuses were investigated using 2392 base pairs (bp) of DNA from four mitochondrial genes (12S rDNA, 16S rDNA, cytochrome c oxidase subunit III, and cytochrome b) and the nuclear gene, rhodopsin. Morphological examination of these species was also undertaken. Molecular analyses distinguish a species of octopus from hydrothermal vents at Manus Basin from the vent octopodid Vulcanoctopus hydrothermalis known from vents on the East Pacific Rise. Both are herein considered members of the clade currently assigned the name Benthoctopus, although taxonomic implications preclude formally naming Vulcanoctopus as a junior synonym. Morphological investigations led to the conclusion that Benthoctopus macrophallus is a junior synonym of Benthoctopus yaquinae. An amended diagnosis of Benthoctopus is provided with additional information on male reproductive characteristics. Copyright © 2009 · Magnolia Press.

229 GHz FSS for the MetOp Second Generation Microwave Sounder Instrument

This paper describes the design of a frequency selective surface (FSS) which provides transmission of 228 - 230 GHz radiation and rejection from 164 – 191.3 GHz with insertion losses under 0.25 dB for TE wave polarization at 45 incidence. This state-of-the art filter consists of two air spaced freestanding perforated screens, comprising unit cell elements of resonant slots folded for the purpose of miniaturisation to enhance angular stability. The reported geometry enhances the angular stability (45 ± 10) of the FSS beyond what is possible with canonical linear slots and satisfies the stringent electromagnetic performance requirements for signal demultiplexing in the quasi-optical feed train of the Microwave Sounder (MWS) instrument.

Helium line intensity ratio in microwave-generated plasmas

The line intensity ratio method provides a nonintrusive diagnostic for the measurement of electron temperature in microwave-generated plasmas. For optically thin plasmas of low density, a line intensity method using He I lines can often be used, and is based on the fact that the electron impact excitation rate coefficients for helium singlet and triplet states are insensitive to electron density but differ as a function of the electron temperature. Line intensity measurements are presented from microwave-generated helium plasmas. Both steady-state corona and collision-radiative theoretical models are used to evaluate the ground and excited state populations. The line ratio versus electron temperature obtained from both of these methods are compared with the results from measurements. However, it is not possible to diagnose the electron temperature from the line ratios alone due to the presence of significant opacity and nonnegligible 1s2s S-3 metastable fraction in the plasma. (C) 2004 American Institute of Physics.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Lanthanide-organic frameworks for optical and catalytic applications

Este projecto de doutoramento tem como objetivo isolar e caracterizar sistematicamente novos polímeros de coordenação, no estado sólido. A presença de grupos rígidos possuindo, em particular, átomos de oxigénio e de azoto, deverá induzir interessantes propriedades fotoluminescentes (rendimentos quânticos e tempos de vida elevados, assim como vias de transferência de energia eficientes), que poderão permitir a utilização dos compostos poliméricos na produção de dispositivos funcionais. As diferentes abordagens sintéticas foram ajustadas para cada material e basearam-se, preferencialmente, nas sínteses hidrotérmicas e nas assistidas por radiação de microondas. A estrutura dos materiais foi elucidada a partir de métodos de difracção de raios X (de cristal único ou de pós) em conjunto com outras técnicas, tais como RMN de estado sólido, microscopia eletrónica, análises térmicas, espectroscopia vibracional e estudos de composição elementar. Os compostos microcristalinos foram sistematicamente estudados a fim de investigar outras propriedades além das de fotoluminescência. Alguns dos materiais revelaram multifuncionalidade apresentando simultaneamente tempos de vida na ordem dos milisegundos, elevados rendimentos quânticos e elevado desempenho como catalisadores heterogéneos. As propriedades magnéticas de um composto baseado em érbio foram igualmente estudadas, assim como as de adsorpção e permuta de solvente de uma estrutura porosa baseada em cério.

New oxomolybdenum(VI) hybrid materials

In this thesis, 2,2’-bipyridine (bipy), di-tert-butyl-2,2’-bipyridine (di-t-Bubipy), 2,2’-bipyridine-5,5’-dicarboxylic acid (H2bpdc), 2-[3(5)-pyrazolyl]pyridine (pzpy) and 2-(1-pentyl-3-pyrazolyl)pyridine (pent-pp) ligands were used as the N,N-chelate ligands in the formation of discrete [MoO2Cl2L]-type complexes. These complexes were employed as precursors for the preparation in aqueous media of oxomolybdenum(VI) products with a wide range of structural diversity. Three distinct heating methods were studied: hydrothermal, reflux or microwave-assisted synthesis. An alternative reaction with the inorganic molybdenum(VI) trioxide (MoO3) and the ligands di-t-Bu-bipy, H2bpdc and pzpy was also investigated under hydrothermal conditions. The distinct nature of the N,N-chelate ligands and/or the heating method employed promoted the isolation of a series of new oxomolybdenum(VI) hybrid materials that clearly reflected the strong structure-directing influence of these ligands. Thus, this thesis describes the synthesis and characterization of the discrete mononuclear [MoO2Cl2(pent-pp)], the dinuclear [Mo2O6(di-t-Bu-bipy)2] and the octanuclear [Mo8O22(OH)4(di-t-Bu-bipy)4] complexes as well as the highly unique polymeric materials {[MoO3(bipy)][MoO3(H2O)]}n, (DMA)[MoO3(Hbpdc)]·nH2O, [Mo3O9(pzpy)]n and [Mo2O6(pent-pp)]n (fine structural details of compound [Mo2O6(pent-pp)]n are presently unknown; however, characterization data strongly pointed toward a polymeric oxide hybrid compound). The catalytic behaviour of the discrete complexes and the polymeric compounds was tested in olefin epoxidation reactions. Compounds [Mo3O9(pzpy)]n and [Mo2O6(pent-pp)]n acted as sources of soluble active species that where identified as the oxodiperoxido complexes [MoO(O2)2(pzpy)] and [MoO(O2)2(pent-pp)], respectively. The majority of the compounds here presented were fully characterized by using solid-state techniques, namely elemental analyses, thermogravimetry, FT-IR, solid-state NMR, electron microscopy and powder X-ray diffraction (both from laboratory and/or synchrotron sources).

Methylamine as true template and TEAOH as purifying agent: unexpected roles of current organic additives in the hydrothermal synthesis of microporous aluminophosphates

Methylamine (MA), TEA+ and water were shown to play a concerted role during the synthesis of two new aluminophosphates IST-1 and IST-2. Both structures start to nucleate after the dramatic change of the gel composition due to preliminary interactions between TEA+ cations.

Genesis of the brecciated rocks from mid atlantic ridge hydrothermal systems : Lucky Strike (37º50’N) and Menez Gwen (37º50’N)

Tese de doutoramento, Geologia (Metalogenia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons in fish: optimisation and validation of microwave-assisted extraction

An accurate and sensitive method for determination of 18 polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) (16 PAHs considered by USEPA as priority pollutants, dibenzo[a,l]pyrene and benzo[j]fluoranthene) in fish samples was validated. Analysis was performed by microwave-assisted extraction and liquid chromatography with photodiode array and fluorescence detection. Response surface methodology was used to find the optimal extraction parameters. Validation of the overall methodology was performed by spiking assays at four levels and using SRM 2977. Quantification limits ranging from 0.15–27.16 ng/g wet weight were obtained. The established method was applied in edible tissues of three commonly consumed and commercially valuable fish species (sardine, chub mackerel and horse mackerel) originated from Atlantic Ocean. Variable levels of naphthalene (1.03–2.95 ng/g wet weight), fluorene (0.34–1.09 ng/g wet weight) and phenanthrene (0.34–3.54 ng/g wet weight) were detected in the analysed samples. None of the samples contained detectable amounts of benzo[a]pyrene, the marker used for evaluating the occurrence and carcinogenic effects of PAHs in food.

Determination of chlorfenvinphos in soils by microwave-assisted extraction and stripping voltammetry with an ultramicroelectrode

A methodology for the determination of the pesticide chlorfenvinphos by microwave-assisted solvent extraction and square-wave cathodic stripping voltammetry at a mercury film ultramicroelectrode in soil samples is proposed. Optimization of microwave solvent extraction performed with two soils, selected for having significantly different properties, indicated that the optimum solvent for extracting chlorfenvinphos is hexane-acetone (1:1, v/v). The voltammetric procedure is based on controlled adsorptive accumulation of the insecticide at the potential of -0.60 V (vs. Ag/AgCl) in the presence of Britton-Robinson buffer (pH 6.2). The detection limit obtained for a 10 s collection time was 3.0 x 10-8 mol l-1. The validity of the developed methodology was assessed by recovery experiments at the 0.100 µg g-1 level. The average recoveries and standard deviations for the global procedure reached byMASE-square-wave voltammetry were 90.2±2.8% and 92.1±3.4% for type I (soil rich in organic matter) and type II (sandy soil) samples, respectively. These results are in accordance to the expected values which show that the method has a good accuracy.

Determination of carbamate and urea pesticide residues in fresh vegetables using microwave-assisted extraction and liquid chromatography

An analytical multiresidue method for the simultaneous determination of seven pesticides in fresh vegetable samples, namely, courgette (Cucurbita pepo), cucumber (Cucumis sativus), lettuce (Lactuca sativa, Romaine and Iceberg varieties) and peppers (Capsicum sp.) is described. The procedure, based on microwave-assisted extraction (MAE) and analysis by liquid chromatography– photodiode array (LC–PDA) detection was applied to four carbamates (carbofuran, carbaryl, chlorpropham and EPTC) and three urea pesticides (monolinuron, metobromuron and linuron). Extraction solvent and the addition of anhydrous sodium sulphate to fresh vegetable homogenate before MAE were the parameters optimised for each commodity. Recovery studies were performed using spiked samples in the range 250–403 µgkg- 1 in each pesticide. The pesticide residues were extracted using 20mL acetonitrile at 60 ºC, for 10 min. Acceptable recoveries and RSDs were attained (overall average recovery of 77.2% and RSDs are lower than 11%). Detection limits ranged between 5.8 µgkg- 1 for carbaryl to 12.3 µgkg- 1 for carbofuran. The analytical protocol was applied for quality control of 41 fresh vegetable samples bought in Oporto Metropolitan Area (North Portugal). None of the samples contained any detectable amounts of the studied compounds.

Development and validation of a novel method for the analysis of chlorinated pesticides in soils using microwave-assisted extraction–headspace solid phase microextraction and gas chromatography–tandem mass spectrometry

A new procedure for determining eleven organochlorine pesticides in soils using microwave-assisted extraction (MAE) and headspace solid phase microextraction (HS-SPME) is described. The studied pesticides consisted of mirex, α- and γ-chlordane, p,p’-DDT, heptachlor, heptachlor epoxide isomer A, γ-hexachlorocyclohexane, dieldrin, endrin, aldrine and hexachlorobenzene. The HS-SPME was optimized for the most important parameters such as extraction time, sample volume and temperature. The present analytical procedure requires a reduced volume of organic solvents and avoids the need for extract clean-up steps. For optimized conditions the limits of detection for the method ranged from 0.02 to 3.6 ng/g, intermediate precision ranged from 14 to 36% (as CV%), and the recovery from 8 up to 51%. The proposed methodology can be used in the rapid screening of soil for the presence of the selected pesticides, and was applied to landfill soil samples.

Determination of ametryn in soils via microwave-assisted solvent extraction coupled to anodic stripping voltammetry with a gold ultramicroelectrode

An extraction-anodic adsorptive stripping voltammetric procedure using microwave-assisted solvent extraction and a gold ultramicroelectrode was developed for determining the pesticide ametryn in soil samples. The method is based on the use of acetonitrile as extraction solvent and on controlled adsorptive accumulation of the herbicide at the potential of 0.50 V (vs. Ag/AgCl) in the presence of Britton-Robinson buffer (pH 3.3). Soil sample extracts were analysed directly after drying and redissolution with the supporting electrolyte but without other pre-treatment. The limit of detection obtained for a 10 s collection time was 0.021 µg g-1. Recovery experiments for the global procedure, at the 0.500 µg g-1 level, gave satisfactory mean and standard deviation results which were comparable to those obtained by HPLC with UV detection.