Toxicity assessment of industrial- and sunscreen-derived ZnO nanoparticles

Lo scopo della presente tesi è l’analisi della tossicità di nanoparticelle di ossido di zinco (nano-ZnO) verso gli organismi acquatici. In particolare, il presente studio valuta per la prima volta l'inibizione della crescita della diatomea Thalassiosira pseudonana indotta sia da nanoparticelle di dervazione industriale, che da nanoparticelle auto-estratte in laboratorio da un filtro solare. Gli esperimenti, condotti presso il Laboratorio di Ingegneria dell'Università di Miami, hanno mostrato che la tossicità indotta dalle nanoparticelle di ossido di zinco è influenzata dal tipo di nanoparticelle, nonché dalla loro concentrazione nella soluzione acquosa e dal tempo di esposizione. In particolare le nanoparticelle di derivazione industriale, più piccole rispetto alle nanoparticelle estratte dal filtro solare, hanno indotto un’inibizione della crescita superiore, specialmente a concentrazioni inferiori. Questo andamento suggerisce che ad alte concentrazioni la tossicità di nano-ZnO potrebbe essere influenzata dall’aggregazione di nanoparticelle (indipendentemente dalle dimensioni di partenza delle nanoparticelle), mentre a concentrazioni inferiori la tossicità potrebbe essere influenzata dalle dimensioni di partenza delle nanoparticelle, così come dal tipo di nanoparticelle e dal tempo di esposizione.

Toxicity evaluation of TiO2 Nanoparticles embedded in consumer products

Lo studio è orientato alla determinazione dei rischi tossici posti dalle nanoparticelle di diossido di titanio rilasciate in ambiente marino. L’organismo modello utilizzato per questo studio è la diatomea Thalassiosira pseudonana, la quale è stata scelta per la sua semplicità biologica unita alla fondamentale rilevanza nella catena alimentare e nell’ecosistema marino. Oltre alle nanoparticelle prodotte industrialmente, questo studio ha lo scopo di determinare e confrontare la tossicità delle nanoparticelle utilizzate in alcuni prodotti di cura personale (in particolare crema solare e dentifricio), estraendole direttamente da essi. I nostri risultati mostrano una notevole ridondanza nel legame tra la natura (il tipo) delle nanoparticelle e l’inibizione della normale crescita delle diatomee, che supera la correlazione con tutti gli altri parametri monitorati (concentrazione di nanoparticelle, tempo di esposizione, pH, carica superficiale e dimensione delle particelle stesse), sebbene gli altri parametri risultino direttamente legati agli effetti inibitori. Tali risultati suggeriscono un’intensificazione della ricerca nell’ambito delle nanotecnologie, orientata allo sviluppo di nanomateriali “sostenibili”, ovvero dei quali sono note le potenzialità di impiego, ma anche gli aspetti negativi, che possono di conseguenza essere monitorati con maggiore consapevolezza.

Flexible Sensor for Wearable Vital Sign Monitoring System

In modern society, the body health is a very important issue to everyone. With the development of the science and technology, the new and developed body health monitoring device and technology will play the key role in the daily medical activities. This paper focus on making progress in the design of the wearable vital sign system. A vital sign monitoring system has been proposed and designed. The whole detection system is composed of signal collecting subsystem, signal processing subsystem, short-range wireless communication subsystem and user interface subsystem. The signal collecting subsystem is composed of light source and photo diode, after emiting light of two different wavelength, the photo diode collects the light signal reflected by human body tissue. The signal processing subsystem is based on the analog front end AFE4490 and peripheral circuits, the collected analog signal would be filtered and converted into digital signal in this stage. After a series of processing, the signal would be transmitted to the short-range wireless communication subsystem through SPI, this subsystem is mainly based on Bluetooth 4.0 protocol and ultra-low power System on Chip(SoC) nRF51822. Finally, the signal would be transmitted to the user end. After proposing and building the system, this paper focus on the research of the key component in the system, that is, the photo detector. Based on the study of the perovskite materials, a low temperature processed photo detector has been proposed, designed and researched. The device is made up of light absorbing layer, electron transporting and hole blocking layer, hole transporting and electron blocking layer, conductive substrate layer and metal electrode layer. The light absorbing layer is the important part of whole device, and it is fabricated by perovskite materials. After accepting the light, the electron-hole pair would be produced in this layer, and due to the energy level difference, the electron and hole produced would be transmitted to metal electrode and conductive substrate electrode through electron transporting layer and hole transporting layer respectively. In this way the response current would be produced. Based on this structure, the specific fabrication procedure including substrate cleaning; PEDOT:PSS layer preparation; pervoskite layer preparation; PCBM layer preparation; C60, BCP, and Ag electrode layer preparation. After the device fabrication, a series of morphological characterization and performance testing has been done. The testing procedure including film-forming quality inspection, response current and light wavelength analysis, linearity and response time and other optical and electrical properties testing. The testing result shows that the membrane has been fabricated uniformly; the device can produce obvious response current to the incident light with the wavelength from 350nm to 800nm, and the response current could be changed along with the light wavelength. When the light wavelength keeps constant, there exists a good linear relationship between the intensity of the response current and the power of the incident light, based on which the device could be used as the photo detector to collect the light information. During the changing period of the light signal, the response time of the device is several microseconds, which is acceptable working as a photo detector in our system. The testing results show that the device has good electronic and optical properties, and the fabrication procedure is also repeatable, the properties of the devices has good uniformity, which illustrates the fabrication method and procedure could be used to build the photo detector in our wearable system. Based on a series of testing results, the paper has drawn the conclusion that the photo detector fabricated could be integrated on the flexible substrate and is also suitable for the monitoring system proposed, thus made some progress on the research of the wearable monitoring system and device. Finally, some future prospect in system design aspect and device design and fabrication aspect are proposed.

Sintesi del metil metacrilato mediante reazione tra metil propionato e metanolo in fase vapore

Il metil metacrilato (MMA) è un importante intermedio chimico principalmente utilizzato come monomero per la sintesi del poli metil metacrilato (PMMA). Il processo più moderno e sostenibile per la sintesi di MMA è il processo Alpha, che consiste nell'idrossi-metilazione del metil propionato (MP) con formaldeide (FAL) seguita dalla disidratazione dell’intermedio ottenuto. Il MP, attualmente prodotto tramite carbonilazione dell’etilene in presenza di metanolo (MeOH), può essere sintetizzato anche da glicerolo (coprodotto dalla produzione del biodiesel), un’economica molecola piattaforma di origine rinnovabile. Il principale svantaggio del processo Alpha consiste nell’utilizzo di FAL pura, notoriamente cancerogena. Questo inconveniente può essere superato promuovendo la formazione di FAL mediante deidrogenazione in-situ del MeOH, nello stesso reattore in cui avviene la reazione tra MP e FAL. Per questo motivo, la sintesi di MMA a partire da MP e MeOH è stata studiata in un reattore in continuo operante in fase vapore, investigando inizialmente due ossidi metallici come catalizzatori eterogenei: ossido di magnesio (MgO) e ossido di gallio (Ga2O3). Quest’ultimo è risultato molto più selettivo grazie alla moderata basicità ed al forte potere redox in grado di favorire la deidrogenazione del MeOH, tuttavia ha mostrato problemi di disattivazione. Nel tentativo di modulare le caratteristiche acido-base e redox dei catalizzatori, sono stati sintetizzati due ossidi misti con rapporto atomico Mg/Ga uguale a 10 e 20. L’introduzione di Ga3+ nella struttura aumenta l’attività catalitica per la deidrogenazione di MeOH e riduce la basicità totale rendendo il catalizzatore meno attivo per le reazioni parassite di chetonizzazione e riduzione tramite meccanismo di H-transfer. L’influenza dei principali parametri operativi (T, rapporto MeOH/MP, time factor) sul decorso della reazione è stato investigato approfonditamente ed è stato possibile proporre un complesso schema di reazione.

Shelf Life Assessment of Fresh Poultry Meat Packaged in Novel Bionanocomposite of Chitosan Incorporated with ZnO nanoparticles synthesized using food industry by-products

Nel settore alimentare viene utilizzata un’elevata quantità di materie plastiche per conservare i prodotti e facilitarne la distribuzione. L’utilizzo di questi polimeri ha un costo ambientale piuttosto elevato, per questo trovare surrogati ecosostenibili diventa sempre più importante. In questa tesi abbiamo testato l’efficacia del confezionamento di un prodotto altamente deperibile, quale carne di pollo, con un biofilm a base di chitosano. Il chitosano è polisaccaride largamente presente in natura, dotato di caratteristiche chimico-fisiche che permettono l’ottenimento di un film con proprietà meccaniche e di barriera simili ai polimeri tradizionali, oltre a possedere attività antibatterica. Abbiamo realizzato film contenenti chitosano e altri biocomposti, quali montmorillonite, nanoparticelle di ossido di zinco e olio essenziale di rosmarino, per un totale di 6 film con diversa composizione. Tramite analisi microbiologiche e chimico-fisiche abbiamo confrontato l’efficacia dei diversi film prodotti rispetto ad un controllo (carne conservata in un contenitore asettico). Le analisi sono state svolte in doppio, a 0, 3, 7, 10, 15 giorni di conservazione ad una temperatura di 4°C. In diversi film abbiamo ottenuto una riduzione significativa rispetto al controllo (p<0,05) della conta totale dei microrganismi mesofili aerobici (TMAM) e delle Enterobacteriaceae. La rilevazione del pH e dell’acidità titolabile ha fornito risultati in linea a quelli microbiologici. I campioni nel biofilm hanno spesso subito una variazione significativa (p<0,05) dell’umidità rispetto al controllo, a causa dell’elevata permeabilità al vapore acqueo. L’analisi dei TBARS non ha spesso riportato differenze significative rispetto al controllo (p>0,05), e quando presenti, è perché il campione era più ossidato del controllo (p<0,05). Invece, è stato ottenuto un miglioramento significativo (p<0,05) dello Hue angle tra i film e il controllo. I risultati ottenuti forniscono le basi per studi aggiuntivi.

Proprietà meccaniche ottenibili tramite Additive Manufacturing

Da anni è iniziata la quarta rivoluzione industriale che ha portato all’industria 4.0 e che, a differenza delle precedenti, è trainata da diverse tecnologie, tra cui l’Additive Manufacturing (AM). Lo scopo della tesi è quello di analizzare i prodotti ottenuti tramite AM e le loro proprietà meccaniche (resistenza a trazione, durezza, vita a fatica…) per paragonarli con quelli ottenuti tramite metodi convenzionali (fonderia, lavorazione alle macchine utensili…). Il primo capitolo introduttivo presenta le principali caratteristiche del processo, tra cui: i materiali utilizzati, i parametri, i vantaggi e gli svantaggi rispetto ai tradizionali metodi produttivi e l’evoluzione della tecnologia. Il secondo capitolo tratta più in particolare degli acciai, delle leghe di alluminio e di titanio, illustrando le principali tecnologie utilizzate e l’influenza dei parametri di processo e mette, poi, in relazione la microstruttura che si crea in seguito ad AM con le proprietà meccaniche ottenibili, anche in virtù di post-trattamenti. Nel terzo capitolo sono esaminati i materiali polimerici. Vengono illustrate le principali tecnologie utilizzate e le proprietà meccaniche ottenibili in relazione alla materia prima utilizzata e ai parametri di processo. Infine, sono valutati gli effetti del rinforzo in fibra sulle proprietà meccaniche. Nel capitolo finale, si traggono le conclusioni sull’utilità dell’AM per capirne l’importante ruolo all’interno della fabbricazione. Si analizza brevemente il mercato italiano relativo alle tecnologie additive e si fa un accenno a quelli che potrebbero essere gli sviluppi nei prossimi anni.

Effetto del trattamento Steady-Wine sulla Shelf life dei vini

Il trattamento “Steady Wine” rappresenta una possibile risorsa per combattere l’insorgenza di fenomeni di casse proteica nei vini. Per il trattamento viene utilizzato un materiale adsorbente ottenuto funzionalizzando sfere inerti in vetro con nanopolveri di TiO2 sinterizzate a formare uno strato sottile. Lo scopo di questo elaborato è di analizzare gli eventuali effetti dell’impiego di biossido di titanio sulla shelf-life dei vini. Il TiO2 è infatti un materiale catalizzatore in grado di velocizzare le reazioni di ossidazione chimica che avvengono all’interno del vino. Per le analisi sono analizzati vini commerciali e soluzioni similvino. Tutti i vini e le soluzioni modello sono stati suddivisi e classificati in tre tesi che includevano il vino ottenuto dal trattamento e i relativi controlli. I campioni sono stati conservati in diverse condizioni di invecchiamento, aspetto fondamentale, specialmente l’eventuale esposizione a raggi luminosi, poiché capace di influenzare l’attività foto-catalizzante del TiO2. Sono stati monitorati nel tempo vari parametri relativi alle cinetiche di ossidazione come DO440nm e DO420nm (indice di imbrunimento) per verificare un eventuale effetto catalitico del TiO2. Sono stati osservati anche i livelli di SO2 e della speciazione del Fe per verificare il consumo di O2 da parte del materiale. Utilizzando l’ICP-AES sono stata analizzate le concentrazioni di metalli, per evidenziare eventuali cessioni all’interno del vino; particolare attenzione è stata data all’analisi ai metalli catalizzatori presenti (Cu e Fe), per verificare un possibile effetto di rimozione. Infine, una breve parte della sperimentazione è stata dedicata allo studio della capacità del materiale adsorbente di rimuovere riboflavina e metionina, come premessa per una futura sperimentazione volta a studiare il potenziale effetto del trattamento nella prevenzione del difetto di luce.

Metodi per la stima ab initio del gap energetico nei materiali

In questa tesi è stato svolto il calcolo di alcune proprietà dei materiali usando un approccio ab initio, in particolare i gap energetici e le DOS (densità di stati) di silicio e ossido di nichel. Per fare ciò, sono state usate tre diverse teorie: DFT (Density Functional Theory), DFT+U e GW. Nei primi tre capitoli sono state spiegate le tre approssimazioni fatte e le basi teoriche. Nel quarto capitolo si presentano i risultati. In particolare il gap del silicio usando la DFT è di 0.6617 eV che risulta più basso di quello sperimentale di 1.12 eV a causa dei limiti della DFT. Per la DFT+U è stato svolto il calcolo sull’ossido di nichel perché presenta orbitali d, interessati maggiormente nella correzione apportata. L’energia di gap calcolata è di 3.3986 eV . Per quel che riguarda l’approssimazione GW, è stata svolta anch’essa sul silicio e restituisce un gap di 1.301 eV , che risulta più vicino alla misura sperimentale rispetto alla DFT.

Studio della sintesi del 2-acetil furano mediante chetonizzazione in fase vapore

La reazione tra due acidi carbossilici o esteri a dare un chetone, H2O e CO2 (chetonizzazione) è molto studiata per l’upgrading del bio-olio grezzo, perché permette di ridurne l’acidità ed il tenore di ossigeno aumentandone il potere calorifico. Tuttavia, con opportuni accorgimenti questa reazione potrebbe essere impiegata anche per la sintesi selettiva di chetoni asimmetrici ad alto valore aggiunto; un esempio è l’acetil-furano (AF), che trova applicazione come aroma nell’industria alimentare e come intermedio per la sintesi dell’antibiotico Cefuroxima. In questo lavoro di tesi la sintesi di AF mediante la chetonizzazione incrociata tra 2-metil furoato (MF) ed etil acetato (EA) oppure acido acetico (AA), è stata investigata in fase gassosa con catalizzatori eterogenei (ZrO2, CeO2 e un ossido misto Ce/Zr/O), come alternativa più sostenibile al processo di sintesi industriale di AF basato sull’acilazione di Friedel-Crafts del furano con anidride acetica in fase liquida in reattori batch. Uno screening iniziale dei tre catalizzatori (350 °C, τ = 1 s, stechiometrica MF/AA = 1 in alimentazione) ha dimostrato che ZrO2 è di gran lunga più attivo e selettivo degli altri materiali, e che la chetonizzazione incrociata tra MF e AA è di gran lunga più selettiva di quella tra MF ed EA. Tuttavia, in queste condizioni la omochetonizzazione di AA (reagente limitante) compete con la chetonizzazione incrociata riducendo la massima conversione di MF ottenibile; pertanto, il rapporto AA/MF è stato aumentato fino a 4 ed in queste condizioni è stato possibile ottenere una conversione di MF quantitativa e una resa in AF pari al 70 %. Infine, la versatilità di questa via sintetica è stata ampliata sintetizzando chetoni furanici con catene alifatiche più lunghe propanoil furano (PF, resa = 82 %) e butanoil furano (BF, resa = 69 %) mediante la chetonizzazione incrociata di MF con acido propionico (AP) ed acido butirrico (AB).

Realizzazione di riporti funzionalizzanti su superfici ceramiche per la produzione di energia elettrica mediante effetto fotovoltaico

This research, carried out during the PhD in Materials Engineering, deals with the creation of layers, with different functionality, deposited on a ceramic substrate, to obtain photovoltaic cells for electricity production. The research activities are included in the project PRRIITT, Measure 4 (Development of Networks), Action A (Research and Technology Transfer Laboratories), Thematic reference 3 (Advanced materials applications development), co-financed by the Emilia Romagna Region, for the creation of CECERBENCH laboratory, which aims to develop "Tiles with a functionalised surface”. The innovation lies in the study of materials and in the development of technologies to achieve a "photovoltaic surface", directly in the tiles production process. The goal is to preserve the technical characteristics, and to make available new surfaces, exploiting renewable energy sources. The realization of Building Integrated PhotoVoltaic (BIPV) is nowadays a more and more spread tendency. The aims of the research are essentially linked to the need to diversify the actual ceramic tile production (which is strongly present in the Emilia Romagna Region ), and to provide a higher added value to the tiles. Solar energy production is the primary objective of the functionalization, and has a relevant ecological impact, taking into account the overwhelming global energy demand. The specific activities of the PhD were carried out according to the achievement of scientific and technological objectives of CECERBENCH laboratory, and involved the collaboration in design solutions, to obtain the cells directly on the tiles surface. The author has managed personally a part of the research project. Layers with different features were made: - Electrically conductive layers, directly on the ceramic tiles surface; - Layers to obtain the photovoltaic functionality; - Electrically insulating, protective layers (double function). For each layer, the most suitable materials have been selected. Among the technical application, the screen printing was used. This technique, widely used in ceramics, has many application areas, including the electronics and photovoltaic industries. It is an inexpensive technique, easy to use in industrial production lines. The screen printing technique was therefore studied in depth by theoretical considerations, and through the use of rheological measurements.