Application of halohydrocarbons for the re-dispersion of gold particles

Methods to control the dispersion of gold in supported heterogeneous catalysts are very valuable due to the strong nanoparticle size dependence on their activity and selectivity towards many reactions. Additionally, the ability to disperse large, inactive gold nanoparticles to smaller nanoparticles provides an opportunity to reactivate, stabilise and increase the lifetime of gold catalysts making them more practical for industrial applications. Previously it has been demonstrated that the use of gas phase iodomethane (J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6973; Angew. Chem., Int. Ed., 2011, 50, 8912) was able to re-disperse gold from >20 nm particles to dimers and trimers. In the current work, we show that this technique can be applied using less hazardous halohydrocarbons treatments, both in the gas phase and the liquid phase. The ability of these individual halohydrocarbons to re-disperse gold as well as the extent to which leaching occurs is assessed.

Tailoring Alphabetical Metamaterials in Optical Frequency: Plasmonic Coupling, Dispersion, and Sensing

Tailoring optical properties of artificial metamaterials, whose optical properties go beyond the limitations of conventional and naturally occurring materials, is of importance in fundamental research and has led to many important applications such as security imaging, invisible cloak, negative refraction, ultrasensitive sensing, transformable and switchable optics. Herein, by precisely controlling the size, symmetry and topology of alphabetical metamaterials with U, S, Y, H, U-bar and V shapes, we have obtained highly tunable optical response covering visible-to-infrared (Vis-NIR) optical frequency. In addition, we show a detailed study on the physical origin of resonance modes, plasmonic coupling, the dispersion of electronic and magnetic surface plasmon polaritons, and the possibility of negative refraction. We have found that all the electronic and magnetic modes follow the dispersion of surface plasmon polaritons thus essentially they are electronic- and magnetic-surface-plasmon-polaritons-like (ESPP-like and MSPP-like) modes resulted from diffraction coupling between localized surface plasmon and freely-propagating light. Based on the fill factor and formula of magnetism permeability, we predict that the alphabetical metamaterials should show the negative refraction capability in visible optical frequency. Furthermore, we have demonstrated the specific ultrasensitive surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) sensing of monolayer molecules and femtomolar food contaminants by tuning their resonance to match the laser wavelength, or by tuning the laser wavelength to match the plasmon resonance of metamaterials. Our tunable alphabetical metamaterials provide a generic platform to study the electromagnetic properties of metamaterials and explore the novel applications in optical frequency.

Enhancing the Efficiency of Slit-Coupling to Surface-Plasmon Polariton via Dispersion Engineering

We describe a simple method for enhancing the efficiency of coupling from a free-space transverse-magnetic (TM) plane-wave mode into a surface-plasmon-polariton (SPP) mode. The coupling structure consists a metal film with a dielectric-filled slit and a planar, dielectric layer on the slit-exit side of the metal film. By varying the dielectric layer thickness, the wavevector of the SPP mode on the metal surface can be tuned to match the wavevector magnitude of the modes emanating from the slit exit, enabling high-efficiency radiation coupling into the SPP mode at the slit exit. An optimal dielectric layer thickness of approximately 100 nm yields a visible-frequency SPP coupling efficiency approximately 4 times greater than the SPP coupling efficiency without the dielectric layer. Commensurate coupling enhancement is observed spanning the free-space wavelength range 400 nm < or = lambda(0) < or = 700 nm. We map the dependence of the SPP coupling efficiency on the slit width, the dielectric-layer thickness, and the incident wavelength to fully characterize this SPP coupling methodology

Re-dispersion of gold supported on a ‘mixed’ oxide support

The ability to reactivate, stabilize and increase the lifetime of gold catalysts by dispersing large, inactive gold nanoparticles to smaller nanoparticles provides an opportunity to make gold catalysts more practical for industrial applications. Previously it has been demonstrated that mild treatment with iodomethane (CH3I) (J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 6973; Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 8912) was able to re-disperse gold on carbon and metal oxide supports. In the current work, we show that this technique can be applied to re-disperse gold on a ‘mixed’ metal oxide, namely a mechanical mixture of ceria, zirconia and titania. Characterization was conducted to gage the impact of the iodomethane (CH3I) treatment on a previously sintered catalyst.

An Investigation into the Role of Polymeric Carriers on Crystal Growth within Amorphous Solid Dispersion Systems

Using phase diagrams derived from Flory–Huggins theory, we defined the thermodynamic state of amorphous felodipine within three different polymeric carriers. Variation in the solubility and miscibility of felodipine within different polymeric materials (using F–H theory) has been identified and used to select the most suitable polymeric carriers for the production of amorphous drug–polymer solid dispersions. With this information, amorphous felodipine solid dispersions were manufactured using three different polymeric materials (HPMCAS-HF, Soluplus, and PVPK15) at predefined drug loadings, and the crystal growth rates of felodipine from these solid dispersions were investigated. Crystallization of amorphous felodipine was studied using Raman spectral imaging and polarized light microscopy. Using this data, we examined the correlation among several characteristics of solid dispersions to the crystal growth rate of felodipine. An exponential relationship was found to exist between drug loading and crystal growth rate. Moreover, crystal growth within all selected amorphous drug–polymer solid dispersion systems were viscosity dependent (η–ξ). The exponent, ξ, was estimated to be 1.36 at a temperature of 80 °C. Values of ξ exceeding 1 may indicate strong viscosity dependent crystal growth in the amorphous drug–polymer solid dispersion systems. We argue that the elevated exponent value (ξ > 1) is a result of drug–polymer mixing which leads to a less fragile amorphous drug–polymer solid dispersion system. All systems investigated displayed an upper critical solution temperature, and the solid–liquid boundary was always higher than the spinodal decomposition curve. Furthermore, for PVP–FD amorphous dispersions at drug loadings exceeding 0.6 volume ratio, the mechanism of phase separation within the metastable zone was found to be driven by nucleation and growth rather than liquid–liquid separation.

Quantum control of photodissociation using intense, femtosecond pulses shaped with third order dispersion

We demonstrate the ability to control the molecular dissociation rate using femtosecond pulses shaped with third-order dispersion (TOD). Explicitly, a significant 50% enhancement in the dissociation yield for the low lying vibrational levels (v ∼ 6) of an H+2 ion-beam target was measured as a function of TOD. The underlying mechanism responsible for this enhanced dissociation was theoretically identified as non-adiabatic alignment induced by the pre-pulses situated on the leading edge of pulses shaped with negative TOD. This control scheme is expected to work in other molecules as it does not rely on specific characteristics of our test-case H+2 molecule.

A Correlation between the Dynamic Viscosity and Crystallisation of Felodipine from its Amorphous Polymer Solid Dispersion

Purpose Previously, it has been reported that molecular mobility determines the rate of molecular approach to crystal surfaces, while entropy relates to the probability of that approaching molecule having the desirable configuration for further growth of the existing crystal; and the free energy dictates the probability of that molecule not returning to the liquid phase1. If we plot the crystal growth rate and viscosity of a supercooled liquid in a log-log format, the relationship between the two is linear, indicating the influence viscosity has upon crystal growth rate. However, such approximation has been derived from pure drug compounds and it is apparent that further understanding of crystallization from drug-polymer solid dispersion is required in order to stabilise drugs embedded within amorphous polymeric solid dispersions. Methods Mixtures of felodipine and polymer (HPMCAS-HF, PVPK15 and Soluplus®) at specified compositions were prepared using a Restch MM200 ball mill. To examine crystal growth within amorphous solid dispersions, samples were prepared by melting 5-10 mg of ball milled mixture at 150°C for 3-5 minutes on a glass slip pre-cleaned with methanol and acetone. All prepared samples were confirmed to be crystal free by visual observation using a polarised light microscope (Olympus BX50). Prepared samples were stored at 0% RH (P2O5), inside desiccators, maintained in ovens at 80°C. For the dynamic viscosity measurement, approximately 100-200mg ball milled mixture was heated on the base plate of a rotational rheometer at 150°C for 5 minutes and the top plate was lowered to a defined gap to form a good contact with the material. The sandwiched amorphous material was heated to 80°C and the viscosity was measured. Results The equation was used to probe the correlation of viscosity to crystal growth rate. In comparison to the value of xi in log-log equation reported from pure drug compound, a value of 1.63 was obtained for FD-polymer solid dispersions irrespective of the polymer involved. &#8733 Conclusion The high xi value suggests stronger viscosity dependence may exist for amorphous FD once incorporated with amorphous polymer.

Enhanced Dispersion of TiO2 Nanoparticles in a TiO2/PEDOT:PSS Hybrid Nanocomposite via Plasma-Liquid Interactions

A facile method to synthesize a TiO2/PEDOT:PSS hybrid nanocomposite material in aqueous solution through direct current (DC) plasma processing at atmospheric pressure and room temperature has been demonstrated. The dispersion of the TiO2 nanoparticles is enhanced and TiO2/polymer hybrid nanoparticles with a distinct core shell structure have been obtained. Increased electrical conductivity was observed for the plasma treated TiO2/PEDOT:PSS nanocomposite. The improvement in nanocomposite properties is due to the enhanced dispersion and stability in liquid polymer of microplasma treated TiO2 nanoparticles. Both plasma induced surface charge and nanoparticle surface termination with specific plasma chemical species are proposed to provide an enhanced barrier to nanoparticle agglomeration and promote nanoparticle-polymer binding.

Extracção supercrítica de óleo de grainha de uva combinada com pré-tratamentos enzimáticos

Neste trabalho estudou-se a extracção supercrítica do óleo de grainha de uva, usando dióxido de carbono, e combinou-se este processo com um prétratamento enzimático da semente para aumentar o rendimento global da extracção. A qualidade dos extractos obtidos foi avaliada pelo seu conteúdo em triacilglicerídeos, perfil de ácidos gordos e capacidade antioxidante. Realizaram-se também alguns estudos exploratórios sobre a aplicação de um pré-tratamento de alta pressão (HPP) à grainha da uva. Adicionalmente, efectuou-se o estudo da extracção, fraccionamento e caracterização estrutural das procianidinas da grainha da uva, bem como a avaliação da sua capacidade antioxidante. A extracção de procianidinas da grainha da uva foi efectuada sequencialmente com metanol e acetona/água, tendo sido posteriormente fraccionadas por adição sucessiva de misturas metanol/clorofórmio progressivamente mais concentradas em clorofórmio. A caracterização das procianidinas foi feita por HPLC-UV e LC–MS, antes e depois de sujeitar as amostras a uma tiólise, e também por ESI-MS e ESI-MS/MS. Este estudo permitiu reportar, pela primeira vez, a ocorrência de procianidinas do tipo-A galoiladas na grainha da uva. Os resultados de HPLC-UV permitiram determinar o grau médio de polimerização das procianidinas e a sua composição monomérica em (+)- catequina, (-)-epicatequina e (-)-epicatequina-O-galato. Mostrou-se que a (+)- catequina é o flavan-3-ol terminal mais abundante e a (-)-epicatequina predomina largamente como unidade de extensão. No caso de procianidinas do tipo A, a ligação interflavânica C2-C7 encontra-se essencialmente nas unidades terminais. O grau médio de polimerização das diversas fracções varia entre 1.0 e 10.8. A sua capacidade antioxidante, medida pelo método espectrofotométrico de DPPH•, mostrou-se ser equivalente à de uma amostra comercial de (+)-catequina usada como referência. A partir dos graus médios de polimerização experimentais e das análises de FTIR das fracções correspondentes foi possível obter um modelo preditivo O-PLS com apenas uma variável latente. O pré-tratamento enzimático justificou-se pelo conhecimento existente acerca do uso de enzimas específicas que destroem parcialmente as paredes celulares. Atendendo à composição das paredes celulares da grainha da uva preparou-se uma suspensão contendo protease, xilanase, pectinase e celulase. Para determinar as condições experimentais do pré-tratamento que maximizam o rendimento da extracção, estudou-se o efeito do tempo de reacção, temperatura, pH, diâmetro médio das partículas de grainha moída e a concentração das enzimas. Os incrementos do rendimento da extracção de óleo observados atingiram 163.2%. O estudo da extracção supercrítica (SFE) do óleo da grainha de uva tratada e não-tratada permitiu obter as curvas de extracção correspondentes, bem com analisar a influência das condições operatórias sobre o seu andamento. Montou-se uma instalação laboratorial onde se realizaram experiências com dióxido de carbono a 160, 180, 200 e 220 bar e temperaturas de 313.15 e 323.15 K. Os rendimentos obtidos por SFE foram semelhantes aos de Soxhlet com n-hexano. As curvas de extracção medidas compreendem um primeiro período de extracção, onde se remove cerca de 92-97% do óleo disponível, e um segundo período, essencialmente difusional, com pouco impacto no rendimento final. Os vários extractos recolhidos e o óleo global obtido foram caracterizados para avaliar a sua qualidade e relacioná-la com as condições operatórias de SFE. Determinaram-se o conteúdo total em triacilglicerídeos, o seu perfil de ácidos gordos e a capacidade antioxidante (AOC). Os resultados mostraram que a AOC aumenta com a elevação da pressão e, acentuadamente, com o acréscimo da temperatura. Ao longo da curva de extracção, a AOC é mais pronunciada nos extractos iniciais, nomeadamente nos primeiros 30 a 40% da extracção. A modelação efectuada considerou que o óleo extractável se reparte entre células rompidas, predominantes na periferia da semente, e células intactas, mais interiores. Admitiu-se que o transporte de massa ocorre em série, i.e. das células intactas para as rompidas e destas para o solvente; mostrou-se que a dispersão axial era desprezável. Os balanços materiais à fase fluida e aos volumes de células rompidas e intactas, combinados com os fluxos interno, externo e a relação de equilíbrio foram resolvidos numericamente pelo método das linhas combinado com diferenças finitas atrasadas. O modelo reproduziu bem as curvas experimentais e permitiu simular curvas de eluição e os três perfis de concentração no leito.

Preparation and characterization of novel nanocomposites of inorganic/polysaccharide type

O uso de polímeros naturais no âmbito da preparação de nanocompósitos não tem sido tão amplamente estudado quando comparado com os polímeros sintéticos. Assim, esta tese tem como objectivo estudar metodologias para a preparação de novos materiais nanocompósitos sob a forma de dispersões e filmes utilizando polissacarídeos como matriz. A tese está dividida em cinco capítulos sendo o último capítulo dedicado às conclusões gerais e a sugestões para trabalhos futuros. Inicialmente é apresentada uma breve revisão bibliográfica sobre os principais temas colocando esta tese em contexto. Considerações sobre o uso de polímeros naturais e a sua combinação com a utilização de nanopartículas inorgânicas para a fabricação de novos bionanocomposites são descritas e os objectivos e outline da tese são também apresentados. No segundo capítulo, a preparação de partículas de sílica puras ou modificadas bem como a sua caracterização por FTIR, SEM, TEM, TGA, DLS (tamanho e potencial zeta) e medições de ângulo de contacto são discutidas. De modo a melhorar a compatibilidade da sílica com os polissacarídeos, as partículas SiO2 foram modificados com dois compostos do tipo organosilano: 3- metacril-oxipropil-trimetoxissilano (MPS) e 3-aminopropil-trimetoxissilano (APS). As partículas SiO2@MPS foram posteriormente encapsuladas com de poli(metacrilato de glicidilo) utilizando a técnica de polimerização em emulsão. A utilização dos nanocompósitos resultantes na preparação de dispersões de bionanocompósitos não foi bem sucedida e por esse motivo não os estudos não foram prosseguidos. O uso de SiO2@APS na preparação de dispersões bionanocomposite foi eficiente. No terceiro capítulo é apresentada uma revisão sobre dispersões bionanocompósitas e respectiva caracterização destacando aspectos fundamentais sobre reologia e microestrutura. Em seguida, é discutido o estudo sistemático realizado sobre o comportamento reológico de dispersões de SiO2 utilizando três polissacarídeos distintos no que concerne a carga e as características gelificantes: a goma de alfarroba (não iónica), o quitosano (catiónico) e a goma xantana (aniónica) cujas propriedades reológicas são amplamente conhecidas. Os estudos reológicos realizados sob diferentes condições demonstraram que a formação de géis frágeis e/ou bem estruturados depende do tamanho SiO2, da concentração, do pH e da força iónica. Estes estudos foram confirmados por análises microestruturais usando a microscopia electrónica a baixas temperaturas (Cryo-SEM). No quarto capítulo, são apresentados os estudos relativos à preparação e caracterização de filmes bionanocompósitos utilizando quitosano como matriz. Primeiramente é apresentada uma revisão sobre filmes de bionanocompósitos e os aspectos fundamentais das técnicas de caracterização utilizadas. A escolha do plasticizante e da sua concentração são discutidas com base nas propriedades de filmes de quitosano preparados. Em seguida, o efeito da concentração de sílica e dos métodos utilizados para a dispersar na matriz de polissacarídeo, bem como o efeito da modificação da superfície da sílica é avaliado. As características da superfície e as propriedades de barreira, mecânicas e térmicas são discutidas para cada conjunto de filmes preparados antes e após a sua neutralização. Os resultados obtidos mostraram que a dispersão das cargas no plasticizante e posterior adição à matriz polissacarídica resultaram apenas em pequenas melhorias já que o problema da agregação de sílica não foi ultrapassado. Por esse motivo foram preparados filmes com SiO2@APS os quais apresentaram propriedades melhores apesar da agregação das partículas não ter sido completamente impedida. Tal pode estar relacionado com o processo de secagem dos filmes. Finalmente, no capítulo 5, são apresentadas as principais conclusões obtidas e algumas sugestões para trabalho futuro.

Modeling radionuclides dispersion and deposition downwind of a coal-fired power plant

In this study the inhalation doses and respective risk are calculated for the population living within a 20 km radius of a coal-fired power plant. The dispersion and deposition of natural radionuclides were simulated by a Gaussian dispersion model estimating the ground level activity concentration. The annual effective dose and total risk were 0.03205 mSv/y and 1.25 x 10-8, respectively. The effective dose is lower than the limit established by the ICRP and the risk is lower than the limit proposed by the U.S. EPA, which means that the considered exposure does not pose any risk for the public health.