Modifying Bulk Metallic Glasses: Composites and Configurational States

Bulk metallic glasses (BMGs) maybe be considered to share some of the same inherent trade-offs as engineering ceramics. While BMGs typically exhibit high yield strengths, and while some have surprising fracture toughness, they exhibiting little to no tensile ductility, and fail in a brittle manner under uniaxial loading. Speaking broadly, there are two complimentary approaches to improving on these shortcomings: 1) create bulk metallic glass matrix composites (BMGMCs) and 2) improve the properties of a monolithic BMG. The structure of this thesis mirrors this division, with chapters 2-7 focusing on creating and processing amorphous metal matrix composites, and chapter 8 focusing on modifying the properties of a monolithic BGM by altering its configurational state through irradiation.

A variational framework for spectral discretization of the density matrix in Kohn Sham density functional theory

Kohn-Sham density functional theory (KSDFT) is currently the main work-horse of quantum mechanical calculations in physics, chemistry, and materials science. From a mechanical engineering perspective, we are interested in studying the role of defects in the mechanical properties in materials. In real materials, defects are typically found at very small concentrations e.g., vacancies occur at parts per million, dislocation density in metals ranges from $10^{10} m^{-2}$ to $10^{15} m^{-2}$, and grain sizes vary from nanometers to micrometers in polycrystalline materials, etc. In order to model materials at realistic defect concentrations using DFT, we would need to work with system sizes beyond millions of atoms. Due to the cubic-scaling computational cost with respect to the number of atoms in conventional DFT implementations, such system sizes are unreachable. Since the early 1990s, there has been a huge interest in developing DFT implementations that have linear-scaling computational cost. A promising approach to achieving linear-scaling cost is to approximate the density matrix in KSDFT. The focus of this thesis is to provide a firm mathematical framework to study the convergence of these approximations. We reformulate the Kohn-Sham density functional theory as a nested variational problem in the density matrix, the electrostatic potential, and a field dual to the electron density. The corresponding functional is linear in the density matrix and thus amenable to spectral representation. Based on this reformulation, we introduce a new approximation scheme, called spectral binning, which does not require smoothing of the occupancy function and thus applies at arbitrarily low temperatures. We proof convergence of the approximate solutions with respect to spectral binning and with respect to an additional spatial discretization of the domain. For a standard one-dimensional benchmark problem, we present numerical experiments for which spectral binning exhibits excellent convergence characteristics and outperforms other linear-scaling methods.

Synthesis, Oxidation and Photophysics of Perfluoroborated Tetrakis(pyrophosphito)diplatinate (II) and Density Functional Theory (DFT) Study of Electrochemical CO2 Reduction by Mn Catalysts

In the first part of this thesis (Chapters I and II), the synthesis, characterization, reactivity and photophysics of per(difluoroborated) tetrakis(pyrophosphito)diplatinate(II) (Pt(POPBF₂)) are discussed. Pt(POP-BF₂) was obtained by reaction of [Pt₂(POP)₄]^4- with neat boron trifluoride diethyl etherate (BF₃·Et₂O). While Pt(POP-BF₂) and [Pt₂(POP)₄]^4- have similar structures and absorption spectra, they differ in significant ways. Firstly, as discussed in Chapter I, the former is less susceptible to oxidation, as evidenced by the reversibility of its oxidation by I2. Secondly, while the first excited triplet states (T₁) of both Pt(POP-BF₂) and [Pt₂(POP)₄]^4- exhibit long lifetimes (ca. 0.01 ms at room temperature) and substantial zero-field splitting (40 cm^-1), Pt(POP-BF₂) also has a remarkably long-lived (1.6 ns at room temperature) singlet excited state (S₁), indicating slow intersystem crossing (ISC). Fluorescence lifetime and quantum yield (QY) of Pt(POP-BF₂) were measured over a range of temperatures, providing insight into the slow ISC process. The remarkable spectroscopic and photophysical properties of Pt(POP-BF₂), both in solution and as a microcrystalline powder, form the theme of Chapter II.

In the second part of the thesis (Chapters III and IV), the electrochemical reduction of CO₂ to CO by [(L)Mn(CO)₃]^- catalysts is investigated using density functional theory (DFT). As discussed in Chapter III, the turnover frequency (TOF)-limiting step is the dehydroxylation of [(bpy)Mn(CO)₃(CO₂H)]^0/- (bpy = bipyridine) by trifluoroethanol (TFEH) to form [(bpy)Mn(CO)₄]^+/0. Because the dehydroxylation of [(bpy)Mn(CO)₃(CO₂H)]^- is faster, maximum TOF (TOF_max) is achieved at potentials sufficient to completely reduce [(bpy)Mn(CO)₃(CO₂H)]⁰ to [(bpy)Mn(CO)₃(CO₂H)]^-. Substitution of bipyridine with bipyrimidine reduces the overpotential needed, but at the expense of TOF_max. In Chapter IV, the decoration of the bipyrimidine ligand with a pendant alcohol is discussed as a strategy to increase CO₂ reduction activity. Our calculations predict that the pendant alcohol acts in concert with an external TFEH molecule, the latter acidifying the former, resulting in a ~ 80,000-fold improvement in the rate of TOF-limiting dehydroxylation of [(L)Mn(CO)₃(CO₂H)]^-.

An interesting strategy for the co-upgrading of light olefins and alkanes into heavier alkanes is the subject of Appendix B. The proposed scheme involves dimerization of the light olefin, operating in tandem with transfer hydrogenation between the olefin dimer and the light alkane. The work presented therein involved a Ta olefin dimerization catalyst and a silica-supported Ir transfer hydrogenation catalyst. Olefin dimer was formed under reaction conditions; however, this did not undergo transfer hydrogenation with the light alkane. A significant challenge is that the Ta catalyst selectively produces highly branched dimers, which are unable to undergo transfer hydrogenation.

Materiais compósitos biocidas baseados em resinas reticuladas contendo nanopartículas de prata

Nesta disserta��ão, duas resinas reticuladas comerciais (denominadas, AmberliteGT73 e AmberliteIRC748) foram empregadas para suportar partículas de prata. Os grupos tiol da GT73 e ácido iminodiacético da IRC748 presentes nessas resinas foram empregados para a fixa��ão de íons Ag+ a partir de solução aquosa. Posteriormente, os íons Ag+ foram reduzidos pelo emprego de três redutores diferentes em pH alcalino, denominados hidrazina, hidroxilamina e formaldeído (pH  12). A morfologia e a impregna��ão de prata dos materiais binários assim obtidos foram avaliadas por meio de microscópio eletrônico de varredura equipado com detector de elétrons retro-espalhados (SEM-BSE). O detector de espectrometria de energia dispersiva de raios-X (EDAX) acoplado ao SEM permitiu a observa��ão de partículas de prata. Os espectros de raios-X revelaram a presença do metal nas superfícies interna e externa das microesferas dos compósitos. A quantidade de prata incorporada foi determinada pelo método titulométrico, empregando solução padrão de tiocianato de potássio. As características antibactericidas dos compósitos foram avaliadas em colunas contendo pérolas de resina por onde foram percoladas suspensões da bactéria Escherichia coli auxotrópica AB1157 (tipo selvagem) nas concentra��ões de 103 a 107 células/mL. A avalia��ão biocida mostrou que estes materiais foram completamente bactericidas, sendo efetivos na elimina��ão da bactéria em poucos minutos. Esta a��ão biocida foi atribuída à combina��ão da atua��ão da prata e dos grupos funcionais das resinas

Prepara��ão e avalia��ão biocida de compósitos à base de resinas reticuladas contendo nanopartículas de prata

Neste trabalho, foram utilizadas três resinas reticuladas comerciais de troca iônica e caráter ácido à base de estireno e divinilbenzeno: AmberliteGT73 da Rohm and Haas Co. com grupo tiol, Lewatit VPOC1800 da Bayer Co. com grupo sulfônico e Amberlyst 15WET da Rohm and Haas Co. também com grupo sulfônico. As citadas resinas comerciais foram escolhidas por apresentarem grande capacidade de troca iônica, estabilidade e grupos funcionais de interesse para a introdução de íons Ag+. As resinas foram tratadas com ácido clorídrico para garantir as formas ácidas de seus grupos funcionais e em seguida a redução dos íons Ag+, provenientes de solução de nitrato de prata, foi realizada in situ pela hidroxilamina em presença de solução protetora de colóide composta por 2-hidróxi-etil-celulose e gelatina 1:1. Alguns parâmetros foram modificados durante a redução dos íons Ag+ a Ag0, como por exemplo, o tempo de adição da solução redutora de hidroxilamina, a solução utilizada para controle do pH, e condições do repouso após o controle do pH. Após a incorpora��ão das nanopartículas de prata, tanto as resinas comerciais quanto o produto final foram caracterizados por titulometria, fluorescência de raios-x, análise termogravimétrica, análise elementar, grau de inchamento, difra��ão de raios-x, microscopias ótica e eletrônica. A avalia��ão da atividade biocida foi realizada através do método da contagem em placas utilizando-se uma cepa de Escherichia Coli ATCC25922TM em concentra��ões de 103 a 107 células/mL. Todos os compósitos obtidos mostraram atividade bactericida significante, sendo que foi possível perceber que a a��ão bactericida dos compósitos está relacionada com a presença de prata na forma metálica e a características como tamanho, formato e dispersão das partículas na matriz polimérica. Para efeito de compara��ão, foram realizados ensaios bactericidas com os copolímeros de partida e assim foi comprovado que a a��ão bactericida pôde ser atribuída somente às nanopartículas de prata

Síntese, caracteriza��ão e avalia��ão de materiais poliméricos com propriedades bactericidas

Nesta disserta��ão, foram preparados materiais poliméricos com atividade bactericida a partir de copolímeros de estireno (Sty) e divinilbenzeno (DVB) e de celulose bacteriana. Três copolímeros à base de Sty e DVB foram sintetizados através da técnica de polimeriza��ão em suspensão aquosa. Os copolímeros foram preparados com diferentes estruturas porosas, por meio da varia��ão da composição do sistema diluente. Um copolímero comercial macrorreticulado, Amberlite XAD4, de elevada área superficial, também foi usado neste estudo com o objetivo de comparar sua estrutura polimérica e seu desempenho com o dos copolímeros sintetizados. Os copolímeros de Sty-DVB foram caracterizados por meio da densidade aparente, área específica, diâmetro médio de poros, volume de poros, microscopias ótica e eletrônica de varredura, grau de inchamento, espectrometria de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), análise termogravimétrica e análise elementar. Os copolímeros de Sty-DVB foram modificados quimicamente através da rea��ão de nitra��ão, seguida da rea��ão de redução do grupo nitro a amino e posterior rea��ão de diazota��ão e hidrólise do grupo sal de diazônio. Os copolímeros modificados contendo os grupos NH2 e OH foram utilizados como suporte para a ancoragem das nanopartículas de prata. As partículas de prata foram obtidas pela redução dos íons Ag+ empregando-se cloridrato de hidroxilamina como redutor e PVP como protetor de colóide. O teor de prata impregnada foi determinado pelo método volumétrico. A celulose bacteriana (BC) foi empregada como uma matriz para impregna��ão de nanopartículas de prata. Membranas de BC foram impregnadas com solução aquosa de AgNO3, a seguir foi realizada a redução dos íons Ag+ com três diferentes agentes redutores (hidrazina, hidroxilamina e ácido ascórbico) empregando ou não protetor de colóide (PVP ou gelatina). As membranas de BC/Ag0 obtidas foram caracterizadas por difra��ão de raios-X, análise termogravimétrica e microscopia eletrônica de varredura. A capacidade bactericida dos copolímeros de Sty-DVB, dos copolímeros funcionalizados e impregnados com prata e das membranas de BC/Ag0 foi avaliada através do método da contagem em placa contra suspensões de Escherichia coli, em diferentes concentra��ões (103 a 107 células/mL). Foi observado que os copolímeros de origem e os copolímeros modificados contendo os grupos NO2 e NH2 não apresentaram atividade bactericida contra suspensões de E. coli em nenhuma concentra��ão. Por outro lado, os copolímeros modificados contendo o grupo OH apresentaram alguma atividade bactericida, embora abaixo do esperado devido à baixa incorpora��ão de hidroxilas fenólicas. Os copolímeros modificados impregnados com Ag apresentaram maior a��ão bactericida do que os copolímeros modificados, o que comprova que a a��ão bactericida é devida às partículas de prata ancoradas nos copolímeros. Os copolímeros modificados contendo o grupo OH impregnados com Ag mesmo possuindo menores teores de prata apresentaram maior a��ão bactericida do que os copolímeros modificados contendo o grupo NH2 impregnados com Ag. A maior a��ão bactericida pode ser atribuída à combina��ão da atividade bactericida das partículas de prata com a atividade dos grupos hidroxilas fenólicas mesmo que estes grupos estejam pouco incorporados nos copolímeros. Os compósitos de BC/Ag0 exibiram atividade bactericida contra E. coli que foi atribuída à a��ão das nanoparticulas de prata obtidas quando foi empregada a hidroxilamina como agente redutor e a gelatina como protetor de colóide

Desarrollo de composites de base de nanoparticulas de FeNi obtenidas por el metodo de explosion de hilo para alas aplicaciones de altas frecuencias

Actualmente ningún área científica es ajena a la revolución de la nanociencia; las nanopartículas atraen el interés de muchos investigadores desde el punto de vista de la ciencia fundamental y para sus aplicaciones tecnológicas. Las nanopartículas ofrecen la posibilidad de fabricar sensores que sean capaces de detectar desde un virus hasta concentraciones de substancias patógenas que no pueden ser detectadas por los métodos convencionales. Hoy en día existes 82 tratamientos contra el cáncer basadas en la utilización de nanopartículas y los materiales composite con nanopartículas se utilizan como medio de protección frente a la radiación del rango de microondas. En la rama de ciencias ambientales, las nanopartículas metálicas sirven como materiales anticontaminantes. En la primera etapa de este trabajo, se ha estudiado la estructura cristalina y las propiedades magnéticas de las nanopartículas de FeNi, obtenidas por el método EEW, compactadas en forma de toroide. Para el aprendizaje del difractometro utilizado para este trabajo y el método de difracción de Rayos-X, se ha asistido al curso “Caracterización de materiales mediante DRX-P” impartido por SGIker de la UPV/EHU. Con la técnica de Rayos-X se ha determinado que el toroide consiste en dos fases: el FeNi metálico y el NiFe2O4. Ambos se cristalizan en un sistema cúbico FCC. Se ha determinado un valor de 50 nm del tama��o de dominio coherente de difracción en la superficie del toroide y aproximadamente el doble en el interior. Se han empleado los microscopios electrónicos SEM y TEM para obtener imágenes de gran resolución de la muestra y analizar su contenido elemental. Se puede apreciar que el toroide, efectivamente, es el fruto de la compactación de nanopartículas de alrededor de 60 nm. Para la caracterización magnética se ha utilizado el “trazador de ciclos” y el magnetómetro de muestra vibrante. Consiguiendo un valor de saturación, en uno de los toroides, de 140 emu/g con la aplicación de un campo magnético de 0.15 kOe. Estos valores dependen de los tratamientos recibidos. En la segunda etapa, se han realizado distintas mezclas de polímetro y nanopartículas para obtener los composites en forma de lámina y analizar su capacidad de absorción frente a la radiación en el rango de microondas. Todas las medidas de absorción en función del campo magnético externo muestran una absorción pronunciada en el campo cero y un desplazamiento a la izquierda del pico de resonancia respecto a la posición esperada para partículas esféricas. Dicho desplazamiento se interpreta, aparte de otros mecanismos, como el resultado de la existencia de la estructura cristalina tipo “gemelos” en algunas nanopartículas. La absorción en campo cero y el ensanchamiento de la línea de resonancia ferromagnética de los composites tipo polímero/nanopartículas de FeNi forman una solida base de las posibles aplicaciones de estos materiales como absorbentes en el rango de microondas.