Síntesis y Caracterización de Materiales Nanoestructurados para el Almacenamiento de Hidrógeno. Hidrogen storage: Synthesis and characterization of nanostructured materials.

El hidrógeno tiene, actualmente, una atención considerable por su posible uso como combustible limpio y otros usos industriales y se ha demostrado que es posible hacer funcionar motores de combustión interna, por lo tanto es una alternativa viable respecto de fuentes de energía no renovables como el petróleo y tal vez sea en el futuro la tecnología más prometedora para reducir la contaminación, conservando el suministro de combustibles fósiles. Uno de los principales problemas para la utilización del hidrógeno como combustible es el del almacenamiento para que pueda ser seguro y transportable con todos los riesgos que esto supone. En este sentido el estudio de la adsorción de polímeros conductores (tal como polianilina, PANI o polipirrol PPy) y su posterior polimerización sobre hospedajes como aluminosilicatos meso y microporosos y carbones mesoporosos, es de suma importancia por sus propiedades para el almacenamiento de H2. El objetivo general de este proyecto es Investigar el almacenamiento de hidrógeno en nuevos composites nano/microestructurados. La síntesis de materiales micro/mesoporosos (MFI, MEL, BEA, L, MS41, SBA-15, SBA-1, SBA-3, SBA-16, CMK-3) para usos como hospedaje se realizan por sol-gel o síntesis hidrotérmica y se modificarán con TiO2, CeO2, ZrO2 y eventualmente con Ir, Ni, Zr. Muestras de estos hospedajes serán expuestos a vapores del monómero puro (anilina o pirrol). Luego se polimerizarán por polimerización oxidativa. Los nanocomposites sintetizados se caracterizarán por XRD, FTIR, DSC, TGA, SEM, TEM, EXFAS, XANES, UV-Vis. La adsorción de hidrógeno sobre los composites se llevará a cabo en un Reactor Parr, desde presiones atmosféricas y a altas presiones y varias temperaturas de adsorción . Los estudios de desorción de hidrogeno se llevarán a cabo en un equipo Chemisorb Micrometrics y se realizarán estudios termogravimétricos y de capacidad de retención de Hidrogeno por el nanocomposite. La importancia del estudio de este proceso tiene importantes implicancias económicas y sociales que serán preponderantes en el futuro debido a las cada vez más exigentes regulaciones ambientales. Además se contribuirá al avance del conocimiento científico, ya que es posible diseñar nuevos materiales, los que además permitirán generar reservorios de H2 con alta eficiencia. Por lo consiguiente: - Se desarrollarán nuevos materiales nanoestructurados, micro y mesoporosos y nanoclusters de especies activas en los hospedajes como así también la inclusión de polímeros (PANI, PPy) dentro de los canales de estos materiales. - Se caracterizarán estos materiales por métodos espectroscópicos (fisicoquímica de superficie). - Se estudiará la adsorción /absorcion de H2 en los nuevos materiales desarrollados. -Se aplicarán métodos de diseño de experimento (RDS), para optimizar el proceso de almacenamiento de H2, nivel de interacción de variables sinérgicas o colinérgicas.

Degradación de efluentes de las industrias del cuero y textil mediante procesos fotocatalíticos heterogéneos empleando la luz solar. Degradation of effluents from the leather and textile industries through heterogeneous photocatalytic processes using sunlight.

El creciente desarrollo de la industria del cuero y textil en nuestro país, y específicamente en la provincia de Córdoba, ha hecho resurgir en los ultimos años una problemática aún no resuelta que es la elevada contaminación de los recursos hídricos. En ambas industrias, la operación de teñido involucra principalmente colorantes de tipo azoico los cuales son "no biodegradables" y se fragmentan liberando aminas aromáticas cancerígenas. Para abordar esta problemática, la fotocatálisis heterogénea aparece como una nueva tecnología que permitiría la completa mineralización de estos colorantes. A través de radiación y un fotocatalizador sólido adecuado se pueden generan radicales libres eficientes para la oxidación de materia orgánica (colorantes) en medio acuoso. En este sentido, se proponen tamices moleculares mesoporosos modificados con metales de transición (MT) como fotocatalizadores potencialmente aptos para la degradación de estos contaminantes. El propósito principal de este proyecto es el diseño, síntesis, caracterización y evaluación de materiales mesoporosos que presenten actividad fotocatalítica ya sea mediante la modificación de su estructura con diversos metales fotosensibles y/o empleándolos como soporte de óxido de titanio. Se pretende evaluar estos materiales en la degradación de colorantes intentando desplazar su fotosensibilidad hacia la radiación visible para desarrollar nuevas tecnologías con menor impacto ambiental y mayor aprovechamiento de la energía solar. Para ello se sintetizarán materiales del tipo MCM-41 modificados con distintos MT tales como Fe, Cr, Co, Ni y Zn mediante incorporación directa del ión metálico o impregnación. Al mismo tiempo, tanto estos últimos materiales como el MCM-41 silíceo serán empleados como soporte de TiO2. Sus propiedades fisicoquímicas se caracterizarán mediante distintas técnicas instrumentales y su actividad fotocatalítica se evaluará en la degradación de colorantes azoicos bajo radiación visible. Se seleccionará el catalizador más eficiente y se estudiarán los diversos factores que afectan el proceso de fotodegradación. Así mismo, el análisis de la concentración del colorante y los productos presentes en el medio en función del tiempo de reacción permitirá inferir sobre la cinética de la decoloración y postular posibles mecanismos de fotodegradación. Con esta propuesta se espera contribuír al desarrollo de un sector industrial importante en nuestra provincia como es el de las industrias del cuero y textil, mediante la generación de nuevas tecnologías que empleen la energía solar para la degradación de sus efluentes (colorantes). En este sentido, se espera desarrollar nuevos materiales optimizados para lograr la mayor eficiencia fotocatalítica. Esto conduciría entonces hacia la remediación de un problema ambiental de alto impacto tanto para nuestra provincia y nuestro país como para la población mundial, como es la contaminación de los recursos hídricos. Finalmente, con este proyecto se contribuirá a la formación de dos doctorandos y un maestrando, cuyos temas de tesis están vinculados con nuestro objeto de estudio. The increasing development of the textile and leather industries in our country, and specifically in Córdoba, has revived an unresolved problem that is the high contamination of water resources. In both industries, the dyeing involves mainly type azoic dyes which are not biodegradable and break releasing carcinogenic aromatic amines. Heterogeneous photocatalysis appears as a new technology that would allow the complete mineralization of these pollutants. Through radiation and a suitable solid it is possible to generate free radicals for efficient oxidation of organic matter (dyes) in aqueous medium. In this respect, mesoporous molecular sieves modified with transition metals are proposed as potential photocatalysts. The main purpose of this project is the synthesis of mesoporous materials having photocatalytic activity for the degradation of dyes. We will try to move their photosensitivity to visible radiation to develop new technologies with lower environmental impact and greater use of solar energy. Materials MCM-41 modified with metals (Fe, Cr, Co, Ni and Zn) will be synthesized by direct incorporation or impregnation. These materials and the siliceous MCM-41 will be then employed as support of TiO2. The materials will be evaluated in the photocatalytic degradation of azoic dyes under visible radiation. The influence of different factors on the photodegradation proccess will be studied. Kinetic studies will be carried out and a possible reaction way will be proposed. Thus, this work will contribute to the advancement of an important industrial sector and the remediation of an environmental problem with high impact for our province and our country. Moreover, this proyect will contribute to the development of two doctoral tesis and one magister tesis which are vinculated with our study subject.

Híbridos orgánico-inorgánico a escala nanométrica

Proyecto de investigación de una estancia en el Centro de Física Aplicada y Tecnologia Avanzada de la Universidad Nacional Autónoma de México, Méjico, entre junio y septiembre del 2007. Diseño de nuevos materiales con aplicaciones avanzadas mediante la mezcla íntima de materiales nanométricos (nanopartículas y macromoléculas). El tipo de posibles aplicaciones de tales materiales van desde la fotovoltaica, a la magnetorresistencia (mezcla de polímeros conductores y nanopartículas magn-eticas –objetivo 1 de éste proyecto-), la óptica, la Catálisis, y el drug delivery (utilizando las nanopartículas adheridas a la cápsula de liberación como marcadores y como localizadores mediante campos electromagnéticos, controlando su permeabilidad a voluntad –objetivo 2- de éste proyecto ) entre otras.

Muntatge i caracterització d'una placa DSSC: Buscant potència

Treball de recerca realitzat per alumnes d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l'any 2009. Els objectius inicials foren la construcció d una 'Cèl•lula Solar Sensibilitzada mitjançant un Colorant’ (DSSC) amb el tint d una col llombarda i posterior caracterització segons el dossier 'Nanocrystalline Solar Cell Kit: Recreating Photosynthesis’. Les DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) són un tipus de cèl•lules que imiten els principis que la fotosíntesis ha fet servir exitosament durant més de 3,5 bilions d anys. S’han construït algunes DSSC i se n’ha provat la seva eficiència. El seu funcionament es basa en l’energia d’un fotó que excita un electró i el fa saltar de nivell energètic fins que es desprèn de l’àtom de colorant, deixant un forat en la molècula. Aquest electró lliure passa a través de la capa de TiO2 fins arribar a la càrrega on es genera el corrent elèctric. Tot seguit, l’electró arriba al contra-elèctrode i és aquí on entra en contacte amb l’electròlit, el mediador iode/triiode. Aquest regenera l’electró, que anteriorment ha saltat del colorant, oxidant-se ell mateix.

Elaboració de membranes de fibra buida modificades amb nanopartícules metàl·liques per aplicacions catalítiques

Investigación producida a partir de una estancia en la Université Paul Sabatier, Toulouse III - CNRS, entre 2007 y 2009. Durante los últimos años la investigación centrada en nuevos materiales de tamaño nanoscòpico (nanopartículas, quantum dots, nanotubos de carbono,...) ha experimentado un crecimiento considerable debido a las especiales propiedades de los "nanoobjetos" con respecto a magnetismo, catálisis, conductividad eléctrica, etc ... Sin embargo, hoy en día todavía existen pocas aplicaciones de las nanopartículas en temas medioambientales. Uno de los motivos de esta situación es la posible toxicidad de los nanoobjetos, pero existe también una dificultad tecnológica dado que las nanopartículas tienden a agregarse y es muy difícil manipularlas sin que pierdan sus propiedades especiales. Así, aunque la preparación de materiales catalíticos nanoestructurados es muy interesante, es necesario definir nuevas estrategias para prepararlos. Este proyecto de investigación tiene como objetivo principal la preparación de nuevas membranas catalíticas con nanopartículas metálicas en el interior para aplicaciones de tratamiento de agua. La innovación principal de este proyecto consiste en que las nanopartículas no son introducidas en la matriz polimérica una vez preformadas sino que se hacen crecer en el interior de la matriz polimérica mediante una síntesis intermatricial. El único requisito es que la matriz polimérica contenga grupos funcionales capaces de interaccionar con los precursores de las nanopartículas. Una vez finalizado el proyecto se puede afirmar que se han logrado parte de los objetivos planteados inicialmente. Concreamente ha quedado demostrado que se pueden sintetizar nanopartículas metálicas de metales nobles (platino y paladio) en membranas de fibra hueca de micro- y ultrafiltración siguiendo dos metodologías diferentes: modificación fotoquímica de polímeros y deposición de multicapas de polielectrolitos. Los nuevos materiales son efectivos en la catálisis de reducción de un compuesto modelo (4-nitrofenol con borohidruro de sodio) y, en general, los resultados han sido satisfactorios. Sin embargo, se ha puesto de manifiesto que el uso de un reactivo que genera hidrógeno gas en contacto con la solución acuosa dificulta enormemente la implementación de la reacción catalítica al ser el medio de la membrana una matriz porosa. Así, como conclusión principal se puede decir que se han encontrado las limitaciones de esta aproximación y se sugieren dos posibilidades de continuidad: la utilización de las membranas sintetizadas en contactores gas-líquido o bien el estudio y optimización del sistema de membrana en configuración de membranas planas, un objetivo más asequible dada su menor complejidad. Esta investigación se ha realizado en el seno del “Laboratoire de Génie Chimique” de Toulouse y del Departamento de Química de la Michigan State University y ha sido posible gracias a un proyecto financiado por la “Agence National pour la Recherce” y al programa PERMEANT entre el CNRS y la NSF.

5-Fluorouracil-loaded poly(ε-caprolactone) nanoparticles combined with phage E gene therapy as a new strategy against colon cancer

This work aimed to develop a new therapeutic approach to increase the efficacy of 5-fluorouracil (5-FU) in the treatment of advanced or recurrent colon cancer. 5-FU-loaded biodegradable poly(ε-caprolactone) nanoparticles (PCL NPs) were combined with the cytotoxic suicide gene E (combined therapy). The SW480 human cancer cell line was used to assay the combined therapeutic strategy. This cell line was established from a primary adenocarcinoma of the colon and is characterized by an intrinsically high resistance to apoptosis that correlates with its resistance to 5-FU. 5-FU was absorbed into the matrix of the PCL NPs during synthesis using the interfacial polymer disposition method. The antitumor activity of gene E from the phage ϕX174 was tested by generating a stable clone (SW480/12/E). In addition, the localization of E protein and its activity in mitochondria were analyzed. We found that the incorporation of 5-FU into PCL NPs (which show no cytotoxicity alone), significantly improved the drug's anticancer activity, reducing the proliferation rate of colon cancer cells by up to 40-fold when compared with the nonincorporated drug alone. Furthermore, E gene expression sensitized colon cancer cells to the cytotoxic action of the 5-FU-based nanomedicine. Our findings demonstrate that despite the inherent resistance of SW480 to apoptosis, E gene activity is mediated by an apoptotic phenomenon that includes modulation of caspase-9 and caspase-3 expression and intense mitochondrial damage. Finally, a strongly synergistic antiproliferative effect was observed in colon cancer cells when E gene expression was combined with the activity of the 5-FU-loaded PCL NPs, thereby indicating the potential therapeutic value of the combined therapy.

Functionalized nanostructures with application in regenerative medicine

In the last decade, both regenerative medicine and nanotechnology have been broadly developed leading important advances in biomedical research as well as in clinical practice. The manipulation on the molecular level and the use of several functionalized nanoscaled materials has application in various fields of regenerative medicine including tissue engineering, cell therapy, diagnosis and drug and gene delivery. The themes covered in this review include nanoparticle systems for tracking transplanted stem cells, self-assembling peptides, nanoparticles for gene delivery into stem cells and biomimetic scaffolds useful for 2D and 3D tissue cell cultures, transplantation and clinical application.

A Log-linear model of grain size influence on the geochemistry of sediments

Sediment composition is mainly controlled by the nature of the source rock(s), and chemical (weathering) and physical processes (mechanical crushing, abrasion, hydrodynamic sorting) during alteration and transport. Although the factors controlling these processes are conceptually well understood, detailed quantification of compositional changes induced by a single process are rare, as are examples where the effects of several processes can be distinguished. The present study was designed to characterize the role of mechanical crushing and sorting in the absence of chemical weathering. Twenty sediment samples were taken from Alpine glaciers that erode almost pure granitoid lithologies. For each sample, 11 grain-size fractions from granules to clay (ø grades &-1 to &9) were separated, and each fraction was analysed for its chemical composition.The presence of clear steps in the box-plots of all parts (in adequate ilr and clr scales) against ø is assumed to be explained by typical crystal size ranges for the relevant mineral phases. These scatter plots and the biplot suggest a splitting of the full grain size range into three groups: coarser than ø=4 (comparatively rich in SiO2, Na2O, K2O, Al2O3, and dominated by “felsic” minerals like quartz and feldspar), finer than ø=8 (comparatively rich in TiO2, MnO, MgO, Fe2O3, mostly related to “mafic” sheet silicates like biotite and chlorite), and intermediate grains sizes (4≤ø &8; comparatively rich in P2O5 and CaO, related to apatite, some feldspar).To further test the absence of chemical weathering, the observed compositions were regressed against three explanatory variables: a trend on grain size in ø scale, a step function for ø≥4, and another for ø≥8. The original hypothesis was that the trend could be identified with weathering effects, whereas each step function would highlight those minerals with biggest characteristic size at its lower end. Results suggest that this assumption is reasonable for the step function, but that besides weathering some other factors (different mechanical behavior of minerals) have also an important contribution to the trend.Key words: sediment, geochemistry, grain size, regression, step function

Síntesis de nuevos catecoles como precursores de materiales adhesivos bioinspirados

En nuestro grupo de investigación y en colaboración con el Doctor Daniel Ruiz-Molina del Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología (CIN2) de este campus universitario, hemos iniciado un proyecto que se plantea lograr biomimetizar ciertas proteínas adhesivas de moluscos, cuya adherencia se debe a la presencia de la funcionalidad catecol. El objetivo es poder desarrollar nuevos materiales adhesivos basados en esa funcionalidad, siendo necesaria por lo tanto el desarrollar protocolos sintéticos para la obtención de compuestos tipo catecol convenientemente sustituidos. Concretamente, en el presente trabajo de Master en Experimentación Química se ha conseguido la síntesis de los nuevos catecoles 1 y 2, que incorporan en su estructura una cadena alquílica acabada con la funcionalidad tiol, con el fin de poder desarrollar más adelante superficies o nanopartículas de oro adhesivas. Para la síntesis del 4-(3’-mercaptopropil)catecol 1 se ha puesto a punto una ruta de obtención partiendo del producto comercial eugenol, consistente en 3 etapas sintéticas y con un rendimiento global cercano al 70%. También se ha desarrollado una ruta sintética para el 4-(7’-mercaptopropil)catecol 2 que parte del 3,4-dimetoxibenzaldehído, y consta de 6 etapas, presentando un rendimiento global del 25%.

Enhanced antitumor activity of doxorubicin in breast cancer through the use of poly(butylcyanoacrylate) nanoparticles.

The use of doxorubicin (DOX), one of the most effective antitumor molecules in the treatment of metastatic breast cancer, is limited by its low tumor selectivity and its severe side effects. Colloidal carriers based on biodegradable poly(butylcyanoacrylate) nanoparticles (PBCA NPs) may enhance DOX antitumor activity against breast cancer cells, thus allowing a reduction of the effective dose required for antitumor activity and consequently the level of associated toxicity. DOX loading onto PBCA NPs was investigated in this work via both drug entrapment and surface adsorption. Cytotoxicity assays with DOX-loaded NPs were performed in vitro using breast tumor cell lines (MCF-7 human and E0771 mouse cancer cells), and in vivo evaluating antitumor activity in immunocompetent C57BL/6 mice. The entrapment method yielded greater drug loading values and a controlled drug release profile. Neither in vitro nor in vivo cytotoxicity was observed for blank NPs. The 50% inhibitory concentration (IC50) of DOX-loaded PBCA NPs was significantly lower for MCF-7 and E0771 cancer cells (4 and 15 times, respectively) compared with free DOX. Furthermore, DOX-loaded PBCA NPs produced a tumor growth inhibition that was 40% greater than that observed with free DOX, thus reducing DOX toxicity during treatment. These results suggest that DOX-loaded PBCA NPs have great potential for improving the efficacy of DOX therapy against advanced breast cancers.

Estudi del comportament de materials nanoestructurats en el tractament d'aigües contaminades amb arsènic

El SPION (Super Paramagnetic Iron Oxide Nanoparticles) ha estat estudiat com un nou adsorbent per eliminar l’arsènic d’aigües contaminades. Les condicions òptimes de treball es van assolir per un pH de 3,6 i per concentracions inferiors als 100ppm. No es van trobar interferències significatives produïdes pels cations Cu, Ni i Zn en l’adsorció de l’As, sent el fosfat l’anió que més interfereix. Una esponja de cel·lulosa s’ha utilitzat com a suport del SPION, per disminuir les agregacions de les nanopartícules en suspensió i per proporcionar una material adequat per l’adsorció en continu, experiment amb columnes. Així, es va obtenir un augment de la capacitat d’adsorció del SPION per l’As(V), mentre que per l’As(III) continua sent baixa, per tant s’augmenta la selectivitat per l’As(V). Les interferències aniòniques afecten d’igual manera a l’adsorció de l’As(III) i l’As(V) quan l’adsorció és en continu o en discontinu. Els cations metàl·lics no interfereixen en l’adsorció de l’arsènic, a excepció del coure que és adsorbit i porta a la disminució de l’adsorció d’arsènic.

The Carboniferous Baralacha La basaltic dykes (Upper Lahul, Ladakh): remnants of an early rifting event along the Indian northern plate

The Lower Carboniferous Baralacha La basaltic dykes were emplaced along transtensional faults. The basalts exhibit tholeiitic and alkaline affinities. The tholeiites are TiO2-poor, moderately enriched in light rare earth (LREE), and display Nb and Ta negative and Th positive anomalies. The alkali basalts, compared to the tholeiites, have higher TiO2, rare earth and highly incompatible trace element contents and greater LREE enrichments. The Nd and Pb isotope compositions of the Baralacha La basalts suggest that they derive from the partial melting of an enriched OIB mantle source. characterized by a HIMU component, and contaminated by the lower continental crust. The Baralacha La dyke swarm represent the remnants of an early rifting event on the northern Indian passive margin.

A double layer model of the gas bubble/water interface

Zeta potential is a physico-chemical parameter of particular importance to describe sorption of contaminants at the surface of gas bubbles. Nevertheless, the interpretation of electrophoretic mobilities of gas bubbles is complex. This is due to the specific behavior of the gas at interface and to the excess of electrical charge at interface, which is responsible for surface conductivity. We developed a surface complexation model based on the presence of negative surface sites because the balance of accepting and donating hydrogen bonds is broken at interface. By considering protons adsorbed on these sites followed by a diffuse layer, the electrical potential at the head-end of the diffuse layer is computed and considered to be equal to the zeta potential. The predicted zeta potential values are in very good agreement with the experimental data of H-2 bubbles for a broad range of pH and NaCl concentrations. This implies that the shear plane is located at the head-end of the diffuse layer, contradicting the assumption of the presence of a stagnant diffuse layer at the gas/water interface. Our model also successfully predicts the surface tension of air bubbles in a KCl solution. (c) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Estudo da Energia da Banda de Condução em Células Solares Sensibilizadas por Complexos de Ruténio

Um dos grandes desafios do nosso tempo é o aproveitamento da energia solar e outras fontes de energias renováveis para promover um desenvolvimento sustentável em grande escala. Para além da inocuidade face ao meio ambiente, a eficiência e os reduzidos custos de produção das células solares sensibilizadas por corante (DSSC, do inglês dye-sensitized solar cells) continuam a atrair considerável interesse tanto académico como comercial. Em 1991, Grätzel e O’Regan deram um enorme avanço no desenvolvimento das DSSC, utilizando um material de eléctrodo com elevada área superficial, filmes semicondutores nanocristalinos de TiO2 com espessura na ordem dos mícrons Nas células fotovoltaicas o corante sensibilizador (S) adsorvido na camada de TiO2 vai absorver a radiação solar e transfere o electrão fotoexcitado para o semicondutor (SC), formando um par de cargas separadas. O sensibilizador oxidado é regenerado pelo mediador redox existente na solução de electrólito. Uma vez efectuado o trabalho através do circuito externo, o electrão volta para o contra eléctrodo onde reduz o dador de electrão oxidado, completando o ciclo. Desta maneira, a luz é convertida em electricidade sem transformação química permanente

Síntesis y caracterización de complejos mononucleares de rutenio que incorporan estructuras azobencénicas y fosfónicas. Aplicación en catalisis homogénea y heterogénea

Los azobencenos son compuestos extensamente utilizados en la industria. Éstos contienen un grupo funcional azo que gracias a su isomerización reversible (E)/(Z) foto-inducida y específica del grupo N=N, ha llevado a la utilización de este tipo de compuestos para la generación de interruptores moleculares. En este trabajo se pretende aplicar este peculiar comportamiento del grupo azo a la catálisis heterogénea de epoxidación de alquenos, con la idea de activar y desactivar a voluntad la actividad de sistemas catalíticos de rutenio inmovilizados sobre nanopartículas mediante la acción de un estímulo externo, la luz.