Molecular organization of histidine-tagged biomolecules at self-assembled lipid interfaces using a novel class of chelator lipids.

In molecular biology, the expression of fusion proteins is a very useful and well-established technique for the identification and one-step purification of gene products. Even a short fused sequence of five or six histidines enables proteins to bind to an immobilized metal ion chelate complex. By synthesis of a class of chelator lipids, we have transferred this approach to the concept of self-assembly. The specific interaction and lateral organization of a fluorescent fusion molecule containing a C-terminal oligohistidine sequence was studied by film balance techniques in combination with epifluorescence microscopy. Due to the phase behavior of the various lipid mixtures used, the chelator lipids can be laterally structured, generating two-dimensional arrays of histidine-tagged biomolecules. Because of the large variety of fusion proteins already available, this concept represents a powerful technique for orientation and organization of proteins at lipid interfaces with applications in biosensing, biofunctionalization of nanostructured interfaces, two-dimensional crystallization, and studies of lipid-anchored proteins.

Junções moleculares e agregados de nanobastões de ouro: um estudo SERS

A Espectroscopia Raman Intensificada pela Superfície (SERS) é um efeito de intensificação da intensidade Raman de uma molécula adsorvida numa superfície metálica nanoestruturada. Esta característica permite a utilização do SERS na caracterização vibracional de sistemas como junções moleculares (JM) (JM são sistemas constituídos de fios moleculares sintetizados em junções do tipo metal|fiomolecular|metal) e, no entendimento de quais características morfológicas de agregados metálicos mais influenciariam no sinal SERS obtido. Portanto, esta tese apresenta os seguintes objetivos: (a) síntese e caracterização de substratos SERS ativos, nanoesferas (AuNE) e nanobastões (AuNB) de ouro e eletrodo de ouro ativado eletroquimicamente; (b) síntese e caracterização SERS de fios moleculares em JM; (c) estudo do acoplamento plasmônico entre as superfícies metálicas em JM; (d) correlação entre SERS - morfologia de agregados individuais de AuNB. Os fios moleculares estudados foram os da família das oligofeniliminas (OPI) e, no melhor do nosso entendimento, esta foi a primeira vez que fios moleculares desta família foram caracterizados por Raman e SERS. As JM apresentaram um comportamento SERS não esperado. Enquanto para o modo vibracional, v(CS), a intensidade da banda se apresentou constante com o aumento do espaçamento entre as nanoestruturas metálicas (para distâncias de até 5 nm), o modo vibracional, β(CH), teve a intensidade de sua banda aumentada. Este comportamento foi explicado considerando a diferente natureza da interação dos plasmons nas JM, sendo estas interações do tipo, ressonância de plasmon de superfície (LSPR) - dipolo imagem, para ambos os modos. No entanto, para o modo β(CH) existe também uma intensificação extra devido ao aumento da polarizabilidade dos fios moleculares com o aumento do número de unidades. A correlação SERS - morfologia dos agregados de AuNB indicam que, para agregados onde predominam interações ponta a ponta, os espectros SERS apresentavam uma maior intensidade quando comparados com aqueles em que interações lado a lado predominavam. No entanto, este comportamento não foi observado para agregados contendo mais do que cinco nanopartículas onde estes dois tipos de interações ocorrem indicando que deve existir um acoplamento dos plasmons destes dois tipos de interações contribuindo para maiores valores de intensidade SERS.

Desenvolvimento de materiais nanoestruturados à base de SiO2-Nb2O5 preparados por uma nova rota sol-gel com aplicações em fotônica

Este trabalho concentra-se na preparação e caracterizações estrutural e espectroscópica de materiais nanoestruturados à base de SiO2-Nb2O5 dopados e codopados com íons Er3+, Yb3+ e Eu3+ na forma de pós e guias de onda planares. Os nanocompósitos foram preparados através de uma nova rota sol-gel utilizando óxido de nióbio como precursor em substituição ao alcóxido de nióbio. A correlação estrutura propriedades luminescentes foi estudada por difração de raios X, microscopia eletrônica de transmissão, espectroscopia vibracional de absorção no infravermelho, espectroscopia vibracional de espalhamento Raman, análise térmica, reflectância difusa e especular, espectroscopia de fotoluminescência e acoplamento M-line. Inicialmente foi avaliado a influência da concentração de nióbio nas propriedades estruturais e luminescentes de nanocompósitos (100-x)Si-xNb dopados e codopados com íons Er3+, Yb3+ e Eu3+ tratados termicamente a 900 °C por 3h. A cristalização do Nb2O5 foi dependente da concentração de Nb na matriz, com a distribuição dos íons lantanídeos preferencialmente no Nb2O5, afetando as propriedades luminescentes. Para os nanocompósitos codopados com íons Er3+ e Yb3+ foram obtidos valores de largura de banda a meia altura (FWHM) da ordem de 70 nm na região de 1550 nm e tempos de vida de até 5,2 ms. A emissão na região do visível, decorrente de processos de conversão ascendente, revelou-se dependente da concentração de nióbio. Foi verificada emissão preferencial na região do verde para menores concentrações de Nb. Enquanto que, para as maiores concentrações, processos de relaxação cruzada levaram a um aumento relativo na intensidade de emissão na região do vermelho. A eficiência quântica de emissão dos nanocompósitos (100-x)Si-xNb dopados com Eu3+ variou com o comprimento de onda de excitação, refletindo os diferentes sítios de simetria ocupados por este íons nesta estrutura complexa. A influência da temperatura de tratamento térmico no processo de cristalização do Nb2O5 em nanocompósitos 70Si:30Nb codopados com íons Er3+ e Yb3+ foi avaliada. Material amorfo foi obtido a 700 °C enquanto que a 900 e 1100 °C foram identificas as fases ortorrômbica (fase T) e monoclínica (fase M) do Nb2O5. Intensa emissão na região de 1550 nm com valores de FWHM de 52 e 67 nm e tempos de vida de 5,6 e 5,4 ms foram verificados a 700 e 900 °C sob excitação em 977 nm, respectivamente. Por fim, foram obtidos guias de onda planares com excelentes propriedades ópticas e com grande potencial de aplicação em dispositivos de amplificação óptica. Especificamente, materiais fotônicos com banda larga de emissão na região do infravermelho foram preparados, indicando fortemente a potencialidade para a aplicação em telecomunicações envolvendo não somente a banda C como também as bandas L e S em materiais contendo somente íons Er3+ como centros emissores.

Propriedades magnéticas de trímeros de FexCo1-x depositados em Pt(111)

Quais propriedades magnéticas são modificadas quando se agrupam átomos de Fe/Co para formar estruturas quasi-2D, se comparadas aos nanofios (quasi-1D) de FexCo1-x? E como estas propriedades reagem com a variação da proporção de Fe/Co nos aglomerados? A fim de responder a estas questões, trímeros de FexCo1-x depositados em Pt(111) são investigados utilizando o método de primeiros princípios Real Space-Linear Muffin-Tin Orbital-Atomic Sphere Approximation (RS-LMTO-ASA) no âmbito da Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Diferentes configurações de trímeros triangulares são consideradas, variando-se as posições e a concentração dos átomos de Fe/Co. Neste trabalho, demonstra-se a ocorrência de uma tendência não-linear estritamente decrescente dos momentos orbitais médios como função da concentração de Fe, distinta do encontrado tanto para os nanofios de FexCo1-x (dependência linear) quanto para a monocamada correspondente (dependência não-linear). Os resultados obtidos mostram ainda que os momentos orbitais variam com o ambiente local e com a direção de magnetização, especialmente quando associados aos átomos de Co, em concordância com publicações anteriores. A mudança de dimensionalidade quasi-1D (nanofios) para quasi-2D (trímeros compactos) não afeta o comportamento dos momentos de spin, que permanecem descritos por uma função linear com respeito à proporção de Fe/Co. Ambos o formato e a concentração de Fe nos sistemas apresentam um papel importante nos valores de energia de anisotropia magnética. Em adição, observou-se que o subtrato de Pt opera ativamente na definição das propriedades magnéticas dos aglomerados. Embora todas as configurações lineares e compactas dos aglomerados de FexCo1-x sejam estáveis e exibam interações fortemente ferromagnéticas entre os primeiros vizinhos, nem todas revelaram o ordenamento colinear como estado fundamental, apresentando uma interação de Dzyaloshinskii-Moriya não-desprezível induzida pelo acoplamento spin-órbita. Estes casos específicos são: o trímero triangular de Co puro e o trímero linear (nanofio) de Fe puro, para o qual foi verificado o acoplamento do tipo Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida entre os átomos de Fe constituintes. Os resultados obtidos contribuem para o entendimento de quais mecanismos definem o magnetismo nos trímeros de FexCo1-x/Pt(111), e discutem as questões presentes atualmente na literatura no contexto destes sistemas.

Investigação da estabilidade de fases da zircônia-escândia

Nesse trabalho foi proposto investigar a estabilidade de fases do sistema zircônia-escândia (ScSZ) por meio do estudo termodinâmico de nanopartículas, na faixa de 0 a 20% em mol de Sc2O3, e a partir da introdução de um segundo aditivo (Dy2O3 e Nb2O5) ao ZrO2 contendo 10% em mol de Sc2O3 (10ScSZ). A estabilidade de fases do ScSZ foi avaliada com base em dados termodinâmicos determinados pelas técnicas de microcalorimetria de adsorção de água e calorimetria de dissolução à alta temperatura. As soluções sólidas foram sintetizadas pelo método de coprecipitação de hidróxidos. Dados termodinâmicos foram determinados para as formas polimórficas encontradas (monoclínica, tetragonal, cúbica, romboédrica β e γ) por difração de raios X no ScSZ. Esse trabalho resultou no diagrama de fases em nanoescala de tamanho de partícula-composição. Os efeitos produzidos pela introdução de aditivos na matriz de 10ScSZ foram investigados visando obter a possível estabilização da estrutura cúbica (c) e a supressão da transformação de fase c-β, característica do sistema binário. As composições foram sintetizadas por coprecipitação de hidróxidos e por reações em estado sólido para fins comparativos. Os materiais foram sinterizados convencionalmente e por sinterização assistida por campo elétrico. A estabilização completa da fase cúbica ocorreu a partir de teores molares de 1% de Dy2O3 e 0,5% de Nb2O5. O menor teor de Nb2O5 necessário para a estabilização da fase foi atribuído à provável formação da fase líquida durante a sinterização e ao menor tamanho do íon Nb5+. Os resultados de difratometria de raios X em alta temperatura e análise térmica mostraram que houve supressão da transição c-β. As amostras contendo 0,5% mol de Nb2O5 apresentaram valores de condutividade iônica similares aos do 10ScSZ sem aditivos em uma ampla faixa de temperatura com elevada estabilidade em um período de 170 h a 600 °C.

Synthesis of high surface area TiO2 nanoparticles by mild acid treatment with HCl or HI for photocatalytic propene oxidation

Nanostructured TiO2 photocatalysts with small crystalline sizes have been synthesized by sol-gel using the amphiphilic triblock copolymer Pluronic P123 as template. A new synthesis route, based on the treatment of TiO2 xerogels with acid-ethanol mixtures in two different steps, synthesis and extraction-crystallization, has been investigated, analyzing two acids, hydrochloric and hydriodic acid. As reference, samples have also been prepared by extraction-crystallization in ethanol, being these TiO2 materials amorphous and presenting higher porosities. The prepared materials present different degrees of crystallinity depending on the experimental conditions used. In general, these materials exhibit high surface areas, with an important contribution of microporosity and mesoporosity, and with very small size anatase crystals, ranging from 5 to 7 nm. The activity of the obtained photocatalysts has been assessed in the oxidation of propene in gas phase at low concentration (100 ppmv) under a UVA lamp with 365 nm wavelength. In the conditions studied, these photocatalysts show different activities in the oxidation of propene which do not depend on their surface areas, but on their crystallinity and band gap energies, being sample prepared with HCl both during synthesis and in extraction-crystallizations steps, the most active one, with superior performance than Evonik P25.

Electrocatalytic Performance of SiO2-SWCNT Nanocomposites Prepared by Electroassisted Deposition

Composite materials made of porous SiO2 matrices filled with single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) were deposited on electrodes by an electroassisted deposition method. The synthesized materials were characterized by several techniques, showing that porous silica prevents the aggregation of SWCNT on the electrodes, as could be observed by transmission electron microscopy and Raman spectroscopy. Different redox probes were employed to test their electrochemical sensing properties. The silica layer allows the permeation of the redox probes to the electrode surface and improves the electrochemical reversibility indicating an electrocatalytic effect by the incorporation of dispersed SWCNT into the silica films.

Ethylene vinyl acetate/nanoclay-based pigment composites: Morphology, rheology, and mechanical, thermal, and colorimetric properties

In this study, a new type of nanopigment, obtained from a nanoclay (NC) and a dye, was synthesized in the laboratory, and these nanopigments were used to color an ethylene vinyl acetate (EVA) copolymer. Several of these nanoclay-based pigments (NCPs) were obtained through variations in the cation exchange capacity (CEC) percentage of the NC exchanged with the dye and also including an ammonium salt. Composites of EVA and different amounts of the as-synthesized nanopigments were prepared in a melt-intercalation process. Then, the morphological, mechanical, thermal, rheological, and colorimetric properties of the samples were assessed. The EVA/NCP composites developed much better color properties than the samples containing only the dye, especially when both the dye and the ammonium salt were exchanged with NC. Their other properties were similar to those of more conventional EVA/NC composites.

Análisis de las relaciones morfología-propiedades en nanocompuestos basados en matrices de copolímeros de bloque

El objetivo principal de la presente investigación ha sido desarrollar una nueva clase de materiales nanocompuestos orgánicos-inorgánicos basados en la capacidad de los copolímeros de bloque de auto-organizarse promoviendo la dispersión de nanopartículas, así como relacionar las diferentes morfologías obtenidas con las propiedades finales de los nanocompuestos. Para generar la nanoestructuración de estos nanocompuestos basados en copolímeros de bloque, como el poli(estireno-b-isopreno-b-estireno) (SIS) y el poli(estireno-b-butadieno-b-estireno) (SBS) en nanopartículas de plata, se han utilizado los conceptos de compatibilización y confinamiento. Es decir, las nanopartículas inorgánicas se confinaron en una sola fase del copolímero de bloque mediante tratamientos superficiales y su funcionalización física. En particular, se utilizaron surfactantes (el cloruro de tetrametilamonio, TMAC, y el dodecanotiol, DT) para favorecer la interacción entre las nanopartículas inorgánicas y la matriz polimérica. Teniendo en cuenta los cálculos teóricos de los parámetros de solubilidad obtenidos mediante la teoría de Hoftizer-Van Krevelen, y la electronegatividad propia de los diferentes elementos, los dos surfactantes elegidos tienen una muy buena compatibilidad con el bloque de estireno favoreciendo la localización de las nanopartículas de plata en este bloque.

Screen-printed electrode based electrochemical detector coupled with ionic liquid dispersive liquid–liquid microextraction and microvolume back-extraction for determination of mercury in water samples

A novel approach is presented, whereby gold nanostructured screen-printed carbon electrodes (SPCnAuEs) are combined with in-situ ionic liquid formation dispersive liquid–liquid microextraction (in-situ IL-DLLME) and microvolume back-extraction for the determination of mercury in water samples. In-situ IL-DLLME is based on a simple metathesis reaction between a water-miscible IL and a salt to form a water-immiscible IL into sample solution. Mercury complex with ammonium pyrrolidinedithiocarbamate is extracted from sample solution into the water-immiscible IL formed in-situ. Then, an ultrasound-assisted procedure is employed to back-extract the mercury into 10 µL of a 4 M HCl aqueous solution, which is finally analyzed using SPCnAuEs. Sample preparation methodology was optimized using a multivariate optimization strategy. Under optimized conditions, a linear range between 0.5 and 10 µg L−1 was obtained with a correlation coefficient of 0.997 for six calibration points. The limit of detection obtained was 0.2 µg L−1, which is lower than the threshold value established by the Environmental Protection Agency and European Union (i.e., 2 µg L−1 and 1 µg L−1, respectively). The repeatability of the proposed method was evaluated at two different spiking levels (3 and 10 µg L−1) and a coefficient of variation of 13% was obtained in both cases. The performance of the proposed methodology was evaluated in real-world water samples including tap water, bottled water, river water and industrial wastewater. Relative recoveries between 95% and 108% were obtained.

Mesoporous materials for clean energy technologies

Alternative energy technologies are greatly hindered by significant limitations in materials science. From low activity to poor stability, and from mineral scarcity to high cost, the current materials are not able to cope with the significant challenges of clean energy technologies. However, recent advances in the preparation of nanomaterials, porous solids, and nanostructured solids are providing hope in the race for a better, cleaner energy production. The present contribution critically reviews the development and role of mesoporosity in a wide range of technologies, as this provides for critical improvements in accessibility, the dispersion of the active phase and a higher surface area. Relevant examples of the development of mesoporosity by a wide range of techniques are provided, including the preparation of hierarchical structures with pore systems in different scale ranges. Mesoporosity plays a significant role in catalysis, especially in the most challenging processes where bulky molecules, like those obtained from biomass or highly unreactive species, such as CO2 should be transformed into most valuable products. Furthermore, mesoporous materials also play a significant role as electrodes in fuel and solar cells and in thermoelectric devices, technologies which are benefiting from improved accessibility and a better dispersion of materials with controlled porosity.

Electrospinning of silica sub-microtubes mats with platinum nanoparticles for NO catalytic reduction

Silica sub-microtubes loaded with platinum nanoparticles have been prepared in flexible non-woven mats using co-axial electrospinning technique. A partially gelated sol made from tetraethyl orthosilicate was used as the silica precursor, and oil was used as the sacrificial template for the hollow channel generation. Platinum has been supported on the wall of the tubes just adding the metallic precursor to the sol–gel, thus obtaining the supported catalyst by one-pot method. The silica tubes have a high aspect ratio with external/internal diameters of 400/200 nm and well-dispersed platinum nanoparticles of around 2 nm. This catalyst showed a high NO conversion with very high selectivity to N2 at mild conditions in the presence of excess oxygen when using C3H6 as reducing agent. This relevant result reveals the potential of this technique to produce nanostructured catalysts onto easy to handle conformations.

Terminology of metal–organic frameworks and coordination polymers (IUPAC Recommendations 2013)

A set of terms, definitions, and recommendations is provided for use in the classification of coordination polymers, networks, and metal–organic frameworks (MOFs). A hierarchical terminology is recommended in which the most general term is coordination polymer. Coordination networks are a subset of coordination polymers and MOFs a further subset of coordination networks. One of the criteria an MOF needs to fulfill is that it contains potential voids, but no physical measurements of porosity or other properties are demanded per se. The use of topology and topology descriptors to enhance the description of crystal structures of MOFs and 3D-coordination polymers is furthermore strongly recommended.

(Bio)funcionalização de superfícies nanoestruturadas para eletrocatálise e desenvolvimento de biossensores eletroquímicos e óticos

Tese de doutoramento, Química (Química Física), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Nanostructures, Semicrytalline Morphology, and Nanoscale Confinement Effect on the Crystallization Kinetics in Self-Organized Block Copolymer/Thermoset Blends

This work reports the first instance of self-organized thermoset blends containing diblock copolymers with a crystallizable thermoset-immiscible block. Nanostructured thermoset blends of bisphenol A-type epoxy resin (ER) and a low-molecular-weight (M-n = 1400) amphiphilic polyethylene-block-poly(ethylene oxide) (EEO) symmetric diblock copolymer were prepared using 4,4'-methylenedianiline (MDA) as curing agent and were characterized by transmission electron microscopy (TEM), atomic force microscopy (AFM), small-angle X-ray scattering (SAXS), and differential scanning calorimetry (DSC). All the MDA-cured ER/EEO blends do not show macroscopic phase separation but exhibit microstructures. The ER selectively mixes with the epoxy-miscible PEO block in the EEO diblock copolymer whereas the crystallizable PE blocks that are immiscible with ER form separate microdomains at nanoscales in the blends. The PE crystals with size on nanoscales are formed and restricted within the individual spherical micelles in the nanostructured ER/EEO blends with EEO content up to 30 wt %. The spherical micelles are highly aggregated in the blends containing 40 and 50 wt % EEO. The PE dentritic crystallites exist in the blend containing 50 wt % EEO whereas the blends with even higher EEO content are completely volume-filled with PE spherulites. The semicrystalline microphase-separated lamellae in the symmetric EEO diblock copolymer are swollen in the blend with decreasing EEO content, followed by a structural transition to aggregated spherical micellar phase morphology and, eventually, spherical micellar phase morphology at the lowest EEO contents. Three morphological regimes are identified, corresponding precisely to the three regimes of crystallization kinetics of the PE blocks. The nanoscale confinement effect on the crystallization kinetics in nanostructured thermoset blends is revealed for the first time. This new phenomenon is explained on the basis of homogeneous nucleation controlled crystallization within nanoscale confined environments in the block copolymer/thermoset blends.