Nano-modification inside transparent materials by femtosecond laser single beam

Periodic nanostructures along the polarization direction of light are observed inside silica glasses and tellurium dioxide single crystal after irradiation by a focused single femtosecond laser beam. Backscattering electron images of the irradiated spot inside silica glass reveal a periodic structure of stripe-like regions of similar to 20 nm width with a low oxygen concentration. In the case of the tellurium dioxide single crystal, secondary electron images within the focal spot show the formation of a periodic structure of voids with 30 nm width. Oxygen defects in a silica glass and voids in a tellurium dioxide single crystal are aligned perpendicular to the laser polarization direction. These are the smallest nanostructures below the diffraction limit of light, which are formed inside transparent materials. The phenomenon is interpreted in terms of interference between the incident light field and the electric field of electron plasma wave generated in the bulk of material.

Three-dimensional micro- and nano-fabrication in transparent materials by femtosecond laser

Femtosecond pulsed lasers have been widely used for materials microprocessing. Due to their ultrashort pulse width and ultrahigh light intensity, the process is generally characterized by the nonthermal diffusion process. We observed various induced microstructures such as refractive-index-changed structures, color center defects, microvoids and microcracks in transparent materials (e.g., glasses after the femtosecond laser irradiation), and discussed the possible applications of the microstructures in the fabrication of various micro optical devices [e.g., optical waveguides, microgratings, microlenses, fiber attenuators, and three-dimensional (3D) optical memory]. In this paper, we review our recent research developments on single femtosecond-laser-induced nanostructures. We introduce the space-selective valence state manipulation of active ions, precipitation and control of metal nanoparticles and light polarization-dependent permanent nanostructures, and discuss the mechanisms and possible applications of the observed phenomena.

Ensaios dinâmicos de biossorção de cobre com macroalgas em leitos-fixos contendo materiais adsorventes de natureza não-biológica

A biossorção é o termo aplicado à tecnologia de adsorção de íons metálicos em solução, por meio de materiais de natureza biológica inativa, comparável à adsorção utilizando-se adsorventes convencionais. A biossorção depende da temperatura, pH, concentração inicial do íon metálico, e tipo de biosorvente. O objetivo principal dessa dissertação é estudar e comparar os processos de adsorção de cobre iônico a partir de soluções aquosas utilizando Sargassum sp., alginato de cálcio úmido e desidratado e carvão ativo em pó e granular, em regime de batelada e contínuo. O alginato de cálcio foi preparado através de uma solução 4% (m/v) de alginato de sódio gotejada em solução 37% (m/v) de cloreto de cálcio dihidratado. O alginato de cálcio apresentou uma umidade de 89% após secagem em estufa a 100C por 24 horas. Os parâmetros da biossorção foram fixados em: a dose de adsorventes de 2 g/L; a temperatura em 30C; pH da solução em 5,0; e velocidade de rotação da chapa rotatória em 150 rpm. Para os estudos de cinética e equilíbrio, os ensaios foram feitos em regime de batelada. Nos ensaios cinéticos para duas concentrações medias (0,16 e 3,15 mmol/L) variou-se o tempo de contato (1 a 120 min) para se atingir o equilíbrio. Nos ensaios de equilíbrio variou-se as concentrações (0,16 a 15,72 mmol/L) utilizando o tempo de equilíbrio determinado nos ensaios cinéticos. Foram utilizadas duas modelagens cinéticas (a de pseudo-primeira ordem e a de segunda ordem) e duas modelagens do equilíbrio (Langmuir e Freundlich). O modelo cinético de segunda ordem ajustou melhor os resultados. O tempo de equilíbrio para adsorção do cobre foi de 60 minutos para Sargassum sp. e pellets de alginatos de cálcio úmido e desidratado. Para os carvões ativos os tempos de equilíbrio para a adsorção do cobre foram mais rápidos, mas a capacidade de remoção do cobre foram muito baixas. Com base nos resultados desfavoráveis obtidos para os carvões ativos eles foram descartados para se prosseguir com os ensaios de equilíbrio. A isoterma de Freundlich melhor ajusta os dados experimentais para Sargassum sp. e alginato de cálcio úmido. A capacidade de adsorção máxima calculada pelo modelo de Freundlich: na concentração de equilíbrio de 11,66 0,06 mmol/L foi de 1,97 0,07 mmol/g para Sargassum sp.; e na concentração de equilíbrio de 12,12 0,03 mmol/L foi de 1,69 0,04 mmol/g para alginato de cálcio úmido. O processo de biossorção em regime contínuo, com alturas de leito variável de 10 a 40 cm, teve melhor desempenho com a altura de 40 cm. Em regime de batelada, o desempenho da Sargassum sp. foi superior ao dos alginatos de cálcio (úmido melhor que o desidratado), que por sua vez foram superiores ao desempenho dos carvões ativos em pó e granular (em pó melhor que o granular). O sistema contínuo com concentração inicial de cobre de 8,5 mmol/L deve ser operado com altura de leito igual ou superior a 40 cm, ou com sistemas multicolunas para soluções mais concentradas