Cellulose-based composites as functional conductive materials for printed electronics

In this work, cellulose-based electro and ionic conductive composites were developed for application in cellulose based printed electronics. Electroconductive inks were successfully formulated for screen-printing using carbon fibers (CFs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) as conductive functional material and cellulose derivatives working as binder. The formulated inks were used to fabricate conductive flexible and disposable electrodes on paper-based substrates. Interesting results were obtained after 10 printing passes and drying at RT of the ink with 10 % wt. of pristine CFs and 3% wt. of carboxymethyl cellulose (CMC), exhibiting a resistivity of 1.03 Ωcm and a resolution of 400 μm. Also, a resistivity of 0.57 Ωcm was obtained for only one printing pass using an ink based on 0.5 % wt. MWCNTs and 3 % wt. CMC. It was also demonstrated that ionic conductive cellulose matrix hydrogel can be used in electrolyte-gated transistors (EGTs). The electrolytes revealed a double layer capacitance of 12.10 μFcm-2 and ionic conductivity of 3.56x10-7 Scm-1. EGTs with a planar configuration, using sputtered GIZO as semiconducting layer, reached an ON/OFF ratio of 3.47x105, a VON of 0.2 V and a charge carrier mobility of 2.32 cm2V-1s-1.

Magnetotransport properties of metal/LaAlO3/SrTiO3 heterostructures

The quasi two-dimensional electron gas (q2DEG) hosted in the interface of an epitaxially grown lanthanum aluminate (LaAlO3) thin film with a TiO2-termi-nated strontium titanate (SrTiO3) substrate (001) has been massively studied in the last few years. The confinement of mobile electrons to within a few nanome-ters from the interface, superconductive behavior at low temperatures and elec-tron mobility exceeding 1000 cm2/(V.s) make this system an interesting candi-date to explore the physics of spin injection and transport. However, due to the critical thickness for conduction of 4 unit cells (uc) of LaAlO3, a high tunneling resistance hampers electrical access to the q2DEG, preventing proper injection of spin polarized current. Recently, our group found that depositing a thin overlayer of Co on LaAlO3 reduces the critical thickness, enabling conduction with only 1 uc of LaAlO3. Two scenarios arise to explain this phenomenon: a pinning of the Fermi level in the metal, inducing charge transfer in the SrTiO3; the creation of oxygen vacancies at the interface between LaAlO3 and the metal, leading to an n-type doping of the SrTiO3. In this dissertation, we will report on magnetotransport of metal/LaAlO3/SrTiO3 (metal: Ti, Ta, Co, Py, Au, Pt, Pd) heterostructures with 2 uc of LaAlO3 studied at low temperatures (2 K) and high magnetic fields (9 T). We have analyzed the transport properties of the gas, namely, the carrier concen-tration, mobility and magnetotransport regime and we will discuss the results in the light of the two scenarios mentioned above.

Nanomateriais manufaturados : avaliação de segurança através da caracterização dos seus efeitos genéticos

RESUMO - Os nanomateriais manufaturados (NMs), isto é, fabricados deliberadamente para fins específicos, apresentam propriedades físico-químicas únicas como a dimensão, área superficial ou funcionalização, que lhes conferem caraterísticas mecânicas, óticas, elétricas e magnéticas muito vantajosas para aplicações industriais e biomédicas. Efetivamente, a tecnologia baseada nos NMs, ou nanotecnologia, foi identificada como uma key enabling technology, impulsionadora do crescimento económico dos países industrializados, devido ao seu potencial para melhorar a qualidade e desempenho de muitos tipos de produtos e de processos. Contudo, a expansão da utilização de NMs contrasta com a insuficiente avaliação de risco para a saúde humana e para o ambiente, sendo considerados como um risco emergente para a saúde pública. As incertezas sobre a segurança dos NMs para a saúde pública advêm sobretudo de estudos epidemiológicos em humanos expostos a nanomateriais produzidos como consequência dos processos e atividades humanas e da poluição. Uma das principais preocupações relativamente aos efeitos adversos dos NMs na saúde humana é o seu potencial efeito carcinogénico, que é sugerido por alguns estudos experimentais, como no caso dos nanomateriais de dióxido de titânio ou dos nanotubos de carbono. Para avaliar em curto termo as propriedades carcinogénicas de um composto, utilizam-se frequentemente ensaios de genotoxicidade em linhas celulares de mamífero ou ensaios em modelos animais, em que se analisa uma variedade de lesões genéticas potencialmente relacionados com o processo de carcinogénese. No entanto, a investigação sobre as propriedades genotóxicas dos NMs não foi, até hoje, conclusiva. O presente estudo tem por objectivo principal caracterizar os efeitos genotóxicos associados à exposição a nanomateriais manufaturados, de forma a contribuir para a avaliação da sua segurança. Constituíram objectivos específicos deste estudo: i) avaliar a genotoxicidade dos NMs em três tipos de células humanas expostas in vitro: linfócitos humanos primários, linha celular de epitélio brônquico humano (BEAS-2B) e linha celular de adenocarcinoma epitelial de pulmão humano (A549); ii) avaliar a sua genotoxicidade num modelo de ratinho transgénico; iii) investigar alguns mecanismos de acção que poderão contribuir para a genotoxicidade dos nanomateriais, como a contribuição de lesões oxidativas para a genotoxicidade induzida pelos NMs in vitro, e a investigação da sua bioacumulação e localização celular in vivo. Foram analisados os efeitos genotóxicos associados à exposição a duas classes de NMs, dióxido de titânio e nanotubos de carbono de parede múltipla, bem como a um NM de óxido de zinco, candidato a ser utlilizado como controlo positivo de dimensão nanométrica. Os xx NMs utilizados foram previamente caracterizados com detalhe relativamente às suas características físico-químicas e também relativamente à sua dispersão em meio aquoso e no meio de cultura. A metodologia incluiu ensaios de citotoxicidade e de genotoxicidade in vitro, designadamente, ensaios de quebras no DNA (ensaio do cometa) e nos cromossomas (ensaio do micronúcleo) em células humanas expostas a várias concentrações de NMs, por comparação com células não expostas. Também foram realizados ensaios in vivo de quebras no DNA, quebras cromossómicas e ainda um ensaio de mutações em vários órgãos de grupos de ratinhos transgénicos LacZ, expostos por via intravenosa a duas doses de dióxido de titânio. Foi investigada a existência de uma relação dose-resposta após exposição das células humanas ou dos animais a NMs. A contribuição de lesões oxidativas para a genotoxicidade após exposição das células aos NMs in vitro foi explorada através do ensaio do cometa modificado com enzima. Realizaram-se estudos histológicos e citológicos para deteção e localização celular dos NMs nos órgãos-alvo dos ratinhos expostos in vivo. Os resultados demonstraram efeitos genotóxicos em alguns dos NMs analisados em células humanas. No entanto, os efeitos genotóxicos, quando positivos, foram em níveis reduzidos, ainda que superiores aos valores dos controlos, e a sua reprodutibilidade era dependente do sistema experimental utilizado. Para outros NMs, a evidência de genotoxicidade revelou-se equívoca, conduzindo à necessidade de esclarecimento através de ensaios in vivo. Para esse fim, recorreu-se a uma análise integrada de múltiplos parâmetros num modelo animal, o ratinho transgénico baseado em plasmídeo contendo o gene LacZ exposto a um NM de dióxido de titânio, NM-102. Embora tenha sido demonstrada a exposição e a acumulação do NM no fígado, não se observaram efeitos genotóxicos nem no fígado, nem no baço nem no sangue dos ratinhos expostos a esse NM. Neste estudo concluiu-se que algumas formas de dióxido de titânio e nanotubos de carbono de parede múltipla produzem efeitos genotóxicos em células humanas, contribuindo para o conjunto de evidências sobre o efeito genotóxico desses NMs. As diferenças observadas relativamente à genotoxicidade entre NMs do mesmo tipo, mas distintos em algumas das suas características físico-quimicas, aparentemente não são negligenciáveis, pelo que os resultados obtidos para um NM não devem ser generalizados ao grupo correspondente. Para além disso, a genotoxicidade equívoca verificada para o NM-102 em células humanas expostas in vitro, não foi confirmada no modelo in vivo, pelo que o valor preditivo da utilização dos ensaios in vitro para a identificação de NMs com efeitos genotóxicos (e portanto potencialmente carcinogénicos) ainda tem de ser esclarecido antes de ser possível extrapolar as conclusões para a saúde humana. Por sua vez, como a informação aqui produzida pelas metodologias in vitro e in vivo não reflete os efeitos de exposição continua ou prolongada, que poderá conduzir a efeitos genotóxicos distintos, esta xxi deverá ser complementada com outras linhas de evidência relativamente à segurança dos NMs. Perante a incerteza dos níveis de exposição real do organismo humano e do ambiente, a segurança da utilização dos NMs não pode ser garantida a longo prazo e, tendo em conta a elevada produção e utilização destes NMs, são prementes futuros estudos de monitorização ambiental e humana.

Produtos têxteis inteligentes incorporando filamentos compósitos com nanotubos de carbono

Programa Doutoral em Engenharia Têxtil.

Microinjection molding of polyamide 6/carbon nanotube composites

Microinjection molding of polymer composites with carbon nanotubes (CNT) requires previous production of the nanocomposites, often by melt extrusion. Each processing step has a thermo-mechanical effect on the polymer melt, conveying different properties to the final product. In this work, polyamide 6 and its composites with pristine and functionalized CNT (f-CNT) were processed by a mini twin-screw extrusion, followed by microinjection molding. The morphology induced on the polymer by each process was analyzed by differential scanning calorimetry and wide angle X-ray diffraction. Calorimetric analysis showed a secondary crystallization for the microinjected materials, absent for the extruded materials. The characterization of microinjected polyamide 6 by X-ray diffraction revealed a large contribution of the c phase to the total crystallinity, mainly in the skin region, while the nanocomposites and extruded materials were characterized by a larger contribution of the a phase. Functionalization of CNT did not affect significantly the polymer morphology compared to composites with pristine CNT.

Estudo da influência de nanotubos de carbono funcionalizados nas propriedades de revestimentos de poliuretano

Dissertação de mestrado em Propriedades e Tecnologias de Polímeros

Structure-property relationships in polymer nanocomposites

Tese de Doutoramento em Ciência e Engenharia de Polímeros e Compósitos

Gd2O3: Eu Nanoparticle-Based Poly(vinylidene fluoride) Composites for Indirect X-ray Detection

Polymer based scintillator composites have been fabricated by combining poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and Gd2O3:Eu nanoparticles (50nm). PVDF has been used since it is a flexible and stable binder matrix and highly resistance to thermal and light deterioration. Gd2O3:Eu has been selected as scintillator material due to its wide band gap, high density and suitable visible light yield. The structural, mechanical, thermal and electrical characteristics of the composites were studied as a function of filler content, together with their performance as scintillator material. The introduction of Gd2O3:Eu nanoparticles into the PVDF matrix does not influence the morphology of the polymer or the degree of crystallinity. On the other hand, an increase of the Young´s modulus with respect to PVDF matrix is observed for filler contents of 0.1-0.75 wt.%. The introduction of Gd2O3:Eu into the PVDF matrix increases dielectric constant and DC electrical conductivity as well as the visible light yield in the nanocomposite, being this increase dependent upon Gd2O3:Eu content and X-ray input power. In this way, Gd2O3:Eu/PVDF composites shows suitable characteristics to be used as X-ray radiation transducers, in particular for large area applications.

Mechanical vs. electrical hysteresis of carbon nanotube/styrene-butadiene-styrene composites and their influence in the electromechanical response

The interesting properties of thermoplastics elastomers can be combined with carbon nanotubes (CNT) for the development of large strain piezoresistive composites for sensor applications. Piezoresistive properties of the composites depend on CNT content, with the gauge factor increasing for concentrations around the percolation threshold, mechanical and electrical hysteresis. The SBS copolymer composition (butadiene/styrene ratio) influences the mechanical and electrical hysteresis of composites and, therefore, the piezoresistive response. This work reports on the electrical and mechanical response of CNT/SBS composites with 4%wt nanofiller content, due to the larger electromechanical response. C401 and C540 SBS copolymers with 80% and 60% butadiene content, respectively have been selected. The copolymer with larger amount of soft phase (C401) shows a rubber-like mechanical behavior, with mechanical hysteresis increasing linearly with strain until 100% strain. The copolymer with the larger amount of hard phase (C540) just shows rubber-like behavior for low strains. The piezoresistive sensibility is similar for both composites for low strains, with a GF≈ 5 for 5% strain. The electrical hysteresis shows opposite behavior than the mechanical hysteresis, increasing with strain for both composites, but with higher increase for softer copolymer, C401. The GF increases with increasing strain, but this increase is larger for composites with lower amounts of soft phase due to the distinct initial modulus and deformation of the soft and hard phases of the copolymer. The soft phase shows larger strain under a given stress than the harder phase and the conductive pathway rearrangements in the composites are different for both phases, the harder copolymer (C540) showing higher piezoresistive sensibility, GF≈ 18, for 20% strain.

Effect of butadiene/styrene ratio, block structure and carbon nanotube content on the mechanical and electrical properties of thermoplastic elastomers after UV ageing

Thermoplastic elastomers based on a triblock copolymer styrene-butadiene-styrene (SBS) with different butadiene/styrene ratios, block structure and carbon nanotube (CNT) content were submitted to accelerated weathering in a Xenontest set up, in order to evaluate their stability to UV ageing. It was concluded that ageing mainly depends on butadiene/styrene ratio and block structure, with radial block structures exhibiting a faster ageing than linear block structures. Moreover, the presence of carbon nanotubes in the SBS copolymer slows down the ageing of the copolymer. The evaluation of the influence of ageing on the mechanical and electrical properties demonstrates that the mechanical degradation is higher for the C401 sample, which is the SBS sample with the largest butadiene content and a radial block structure. On the other hand, a copolymer derivate from SBS, the styrene-ethylene/butadiene-styrene (SEBS) sample, retains a maximum deformation of ~1000% after 80 h of accelerated ageing. The hydrophobicity of the samples decreases with increasing ageing time, the effect being larger for the samples with higher butadiene content. It is also verified that cytotoxicity increases with increasing UV ageing with the exception of SEBS, which remains not cytotoxic up to 80 h of accelerated ageing time, demonstrating its potential for applications involving exposition to environmental conditions.

Towards "green" smart materials for force and strain sensors: The case of polyaniline

Stress/strain sensors constitute a class of devices with a global ever-growing market thanks to their use in many fields of modern life. They are typically constituted by thin metal foils deposited on flexible supports. However, the low inherent resistivity and limited flexibility of their constituents make them inadequate for several applications, such as measuring large movements in robotic systems and biological tissues. As an alternative to the traditional compounds, in the present work we will show the advantages to employ a smart material, polyaniline (PANI), prepared by an innovative environmentally friendly route, for force/strain sensor applications wherein simple processing, environmental friendliness and sensitivity are particularly required.

Mechanical, fatigue and wear properties of sintered Carbon Nanotube-based functionally graded materials

Tese de Doutoramento Engenharia Mecânica

Thin films composed of gold nanoparticles dispersed in a dielectric matrix: the influence of the host matrix on the optical and mechanical responses

Gold nanoparticles were dispersed in two different dielectric matrices, TiO2 and Al2O3, using magnetron sputtering and a post-deposition annealing treatment. The main goal of the present work was to study how the two different host dielectric matrices, and the resulting microstructure evolution (including both the nanoparticles and the host matrix itself) promoted by thermal annealing, influenced the physical properties of the films. In particular, the structure and morphology of the nanocomposites were correlated with the optical response of the thin films, namely their localized surface plasmon resonance (LSPR) characteristics. Furthermore, and in order to scan the future application of the two thin film system in different types of sensors (namely biological ones), their functional behaviour (hardness and Young's modulus change) was also evaluated. Despite the similar Au concentrations in both matrices (~ 11 at.%), very different microstructural features were observed, which were found to depend strongly on the annealing temperature. The main structural differences included: (i) the early crystallization of the TiO2 host matrix, while the Al2O3 one remained amorphous up to 800 °C; (ii) different grain size evolution behaviours with the annealing temperature, namely an almost linear increase for the Au:TiO2 system (from 3 to 11 nm), and the approximately constant values observed in the Au:Al2O3 system (4–5 nm). The results from the nanoparticle size distributions were also found to be quite sensitive to the surrounding matrix, suggesting different mechanisms for the nanoparticle growth (particle migration and coalescence dominating in TiO2 and Ostwald ripening in Al2O3). These different clustering behaviours induced different transmittance-LSPR responses and a good mechanical stability, which opens the possibility for future use of these nanocomposite thin film systems in some envisaged applications (e.g. LSPR-biosensors).

Mineralogia e química dos sedimentos de fundo do médio e baixo Madeira e de seus principais tributários: Amazonas - Brasil

O objetivo deste trabalho foi investigar a variação composicional e mineralógica dos sedimentos de fundo transportados pelos grandes rios da Amazônia, com nascentes nos Andes provenientes de rochas cratônicas. O estudo foi realizado com base em análises granulométricas, mineralógicas e químicas, incluindo isótopos de Pb, no rio Madeira e seus tributários. O conjunto de dados mostra que os sedimentos de fundo do rio Madeira são granulométrica, mineralógica e quimicamente distintos de seus principais tributários. Os sedimentos do rio Madeira são mais arenosos; têm maior quantidade de quartzo; menor conteúdo de Al2O3, Fe2O3, K2O, MgO, Na2O, PF, TiO2, P2O5, MnO e elementos-traço; e a maturidade aumenta de montante para jusante. Dentre os sedimentos dos tributários, os rios Machado e secundariamente o rio Marmelos são os que mais se aproximam da composição dos sedimentos do rio Madeira, enquanto que o Jamari com sedimentos com maior proporção de TiO2, Zr, Y, Nb, Ga, Hf, U, Ta e ETR, é o mais distinto. Apesar do ambiente de intenso intemperismo e erosão, em condições tropicais úmidas, a que estão submetidas as rochas drenadas pela bacia do rio Madeira, os valores das razões Th/Co, Th/Pb, Th/Yb, Al/Pb, Zr/Co e a composição isotópica de Pb indicam fontes distintas para os sedimentos de fundo estudados. Os sedimentos do rio Madeira são provenientes, principalmente, de rochas máficas, enquanto que os sedimentos de seus tributários têm como fonte essencialmente rochas félsicas.

Free-standing multilayered membranes based on graphene and natural polymers for biomedical applications

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Biomateriais, Reabilitação e Biomecânica)