Epitaxial BiFeO3 nanostructures fabricated by differential etching of BiFeO3 films

We report on differential etching behavior of the different orientations of the polarization in BiFeO3 (BFO), similar to other ferroelectrics, such as LiNbO3. We show how this effect can be used to fabricate epitaxial BiFeO3 nanostructures. By means of piezoresponse force microscopy (PFM) domains of arbitrary shape and size can be poled in an epitaxial BiFeO3 film, which are then reproduced in the film morphology by differential etching. Structures with a lateral size smaller than 200 nm were fabricated and very good retention properties as well as a highly increased piezoelectric response were detected by PFM. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3630027]

Brønsted acids in ionic liquids: How acidity depends on the liquid structure

Gutmann Acceptor Number (AN) values have been determined for Brønsted acid–ionic liquid mixtures, over a wide compositional range. Four systems of general formula [C2mim][A]–HA (A− = bistriflamide, [NTf2]−; triflate, [OTf]−; mesylate, [OMs]−; or acetate, [OAc]−, [C2mim]+ = 1-ethyl-3-methylimidazolium cation) were studied. A library of Brønsted acidic systems of varying acidity was constructed and the AN parameter was found to be a convenient approach for quantifying their acidity. HOAc, HOMs and HOTf, when dissolved in ionic liquids, were found to associate with the respective anions to form hydrogen-bonded anionic clusters, [A(HA)x]−. In contrast, HNTf2 was solubilised as a discrete, undissociated molecule. AN values were sensitive to the presence of anionic clusters; acidity could be buffered to a particular AN by binding the solubilised acid in the anionic cluster form. Overall, a simple way to manipulate and quantify the Brønsted acidity of acid–ionic liquid mixtures was demonstrated, and measured AN values were related to liquid speciation.

An Update of the Rules for Pyranoside Sulfonate Displacement

The original 1967 Richardson–Hough rules for predicting SN2 displacement viability in carbohydrate sulfonate derivatives with external nucleophiles have now been updated. Not only do the original rules still hold, but the newly updated rules rationalize why O-triflates (trifluoromethanesulfonate esters) frequently allow many seemingly “disallowed” pyranosidic nucleophilic substitutions to proceed. The new guidelines, which are based on three decades of experimental evidence, allow the feasibility of many pyranosidic O-triflate SN2 displacements to be gauged beforehand.

On the Performances of Ionic Liquid-Based Electrolytes for Li-NMC Batteries

Herein, the N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)amide and the N-propyl-N-methylpyrrolidinium bis(fluorosulfonyl)amide room temperature ionic liquids, combined with the lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide salt, are investigated as electrolytes for Li/LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 (Li/NMC) batteries. To conduct this study, volumetric properties, ionic conductivity and viscosity of the pure ionic liquids and selected electrolytes were firstly determined as a function of temperature and composition in solution. These data were then compared with those measured in the case of the standard alkyl carbonate-based electrolyte: e.g. the EC/PC/3DMC + 1 mol·L−1 LiPF6. The compatibility of the selected electrolytes with the lithium electrode was then investigated by following the evolution of Li/electrolyte interfaces through impedance measurements. Interestingly, the impedances of the investigated Li/electrolyte interfaces were found to be more than three times lower than that measured using the standard electrolyte. Finally, electrochemical performances of the ionic liquid-based electrolytes were investigated using galvanostatic charge and discharge and cyclic voltammetry of each Li/NMC cell. Using these electrolytes, each tested Li cell reaches up to 145 mA·h·g−1 at C/10 and 110 mA·h·g−1 at C with a coulombic efficiency close to 100 %.

Convergence of products from Povarov and von Miller reactions: approaches to helquinoline

Yttrium triflate or triflic acid catalysed Povarov reaction of methyl anthranilate with ethyl vinyl ether, both as aldehyde surrogate and as alkene, gave the desired 2-methyl-4-ethoxytetrahydroquinoline diastereoisomers as the major products along with four component coupling von Miller adducts. A proton NMR-study, using yttrium triflate as catalyst, revealed that the cis-diastereoisomers were the initial major products in both the Povarov and von Miller reactions but that these isomerised to the trans-diastereoisomers under the reaction conditions. Two distinct pathways for forming von Miller adducts were uncovered with the initial Povarov products being converted to von Miller adducts under the reaction conditions. Replacement of the 4-ethoxy with a 4-methoxy group under acidic conditions gave predominantly the trans-diastereoisomer, which was subsequently converted to a cis/trans mixture of the tetrahydroquinoline antibiotic helquinoline. It was also possible to convert the von Miller products to Povarov products under acidic conditions

EFFICIENT SYNTHESIS OF 3-MONO AND DISUBSTITUTED LACTAMS USING MEERWEIN-ESCHENMOSER [3,3] SIGMATROPIC REARRANGEMENTS

3-Allyl substituted five six and seven membered ring lactams, are readily available in good yields and reasonable selectivity by a formal Meerwein Eschenmoser [3,3] rearrangement, using readily available methoxymethyleniminium salts and lithium alkoxides derived from allyl alcohols.

EFFICIENT SYNTHESIS OF 3-SUBSTITUTED LACTAMS USING MEERWEIN ESCHENMOSER CLAISEN [3,3] SIGMATROPIC REARRANGEMENTS

3-Allyl substituted five, six, and seven membered ring lactams are readily available in good yields and reasonable selectivity by a formal Meerwein Eschenmoser Claisen [3,3] rearrangement, using the readily available N,N-dialkylalkoxymethylene iminium salts and lithium alkoxides derived from allyl alcohols.

An effective three-dimensional ordered mesoporous ZnCo2O4 as electrocatalyst for Li-O2 batteries

Three-dimensional ordered mesoporous (3DOM) ZnCo₂O₄ materials have been synthesized via a hard template and used as bifunctional electrocatalysts for rechargeable Li-O₂ batteries. The as-prepared ZnCo₂O₄ nanoparticles possess a high specific surface area of 127.2 m² g^-1 and a spinel crystalline structure. The Li-O₂ battery utilizing 3DOM ZnCo₂O₄ shows a higher specific capacity of 6024 mAh g^-1 than that with pure Ketjen black (KB). Moreover, the ZnCo₂O₄-based electrode enables much enhanced cyclability with a smaller discharge-recharge voltage gap than that of the carbon-only cathode. Such excellent catalytic performance of ZnCo₂O₄ could be associated with its larger surface area and 3D ordered mesoporous structure

c-Kit+ progenitors generate vascular cells for tissue-engineered grafts through modulation of the Wnt/Klf4 pathway

The development of decellularised scaffolds for small diameter vascular grafts is hampered by their limited patency, due to the lack of luminal cell coverage by endothelial cells (EC) and to the low tone of the vessel due to absence of a contractile smooth muscle cells (SMC). In this study, we identify a population of vascular progenitor c-Kit+/Sca-1- cells available in large numbers and derived from immuno-privileged embryonic stem cells (ESCs). We also define an efficient and controlled differentiation protocol yielding fully to differentiated ECs and SMCs in sufficient numbers to allow the repopulation of a tissue engineered vascular graft. When seeded ex vivo on a decellularised vessel, c-Kit+/Sca-1-derived cells recapitulated the native vessel structure and upon in vivo implantation in the mouse, markedly reduced neointima formation and mortality, restoring functional vascularisation. We showed that Krüppel-like transcription factor 4 (Klf4) regulates the choice of differentiation pathway of these cells through β-catenin activation and was itself regulated by the canonical Wnt pathway activator lithium chloride. Our data show that ESC-derived c-Kit+/Sca-1-cells can be differentiated through a Klf4/β-catenin dependent pathway and are a suitable source of vascular progenitors for the creation of superior tissue-engineered vessels from decellularised scaffolds.

Laser-driven x-ray and neutron source development for industrial applications of plasma accelerators

Pulsed beams of energetic x-rays and neutrons from intense laser interactions with solid foils are promising for applications where bright, small emission area sources, capable of multi-modal delivery are ideal. Possible end users of laser-driven multi-modal sources are those requiring advanced non-destructive inspection techniques in industry sectors of high value commerce such as aerospace, nuclear and advanced manufacturing. We report on experimental work that demonstrates multi-modal operation of high power laser-solid interactions for neutron and x-ray beam generation. Measurements and Monte Carlo radiation transport simulations show that neutron yield is increased by a factor ∼2 when a 1 mm copper foil is placed behind a 2 mm lithium foil, compared to using a 2 cm block of lithium only. We explore x-ray generation with a 10 picosecond drive pulse in order to tailor the spectral content for radiography with medium density alloy metals. The impact of using >1 ps pulse duration on laser-accelerated electron beam generation and transport is discussed alongside the optimisation of subsequent bremsstrahlung emission in thin, high atomic number target foils. X-ray spectra are deconvolved from spectrometer measurements and simulation data generated using the GEANT4 Monte Carlo code. We also demonstrate the unique capability of laser-driven x-rays in being able to deliver single pulse high spatial resolution projection imaging of thick metallic objects. Active detector radiographic imaging of industrially relevant sample objects with a 10 ps drive pulse is presented for the first time, demonstrating that features of 200 μm size are resolved when projected at high magnification.

The Influence of Cation Structure on the Chemical-Physical Properties of Protic Ionic Liquids

In this study we investigated the influence of five different cations on the physical-chemical properties of protic ionic liquids (PILs) based on bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TFSI-). We showed that the viscosities, ionic conductivities, densities and thermal properties of these PIL are strongly affected by the structure of the protic cation. Furthermore, the influence of the cation structure on the lithium coordination was investigated by Raman spectroscopy for all investigated PIL-based electrolytes for lithium-ion batteries (LIBs). This investigation clearly demonstrates, that the lithium average coordination number in PIL-based electrolytes is strongly affected by (ring) size and the number of protons on the cations structure and, more importantly, it might be significantly lower (more than 60 of that of electrolytes containing aprotic ionic liquids (AILs). Electrochemical performances of these PILs-based electrolytes were then also investigated to dress some conclusion on their applicability for LIB.

Síntese e potencialidades de aplicação de novos derivados porfirínicos

A presente dissertação colige os resultados obtidos em estudos de funcionalização de porfirinas, nomeadamente de derivados da 5,10,15,20- tetrafenilporfirina. Nestes estudos foram estabelecidas novas rotas sintéticas para a preparação de moléculas adequadamente funcionalizadas e com possíveis aplicações em química medicinal ou em sistemas supramoleculares. Esta dissertação encontra-se dividida em quatro partes: Após uma breve introdução às porfirinas, descrita na primeira parte, segue-se uma segunda parte centrada em reacções em dominó envolvendo 2-aminomeso- tetra-arilporfirinas, meso-(p-aminofenil)porfirinas e éteres enólicos cíclicos. Os resultados obtidos demonstram que porfirinas reagem como heterodienos com dienófilos ricos em electrões tais como os éteres enólicos cíclicos 3,4-di-hidro-2H-pirano e 2,3-di-hidrofurano na presença de triflato de lantânio. Os produtos formados são pirido[2,3-b] porfirinas e meso-quinolin-6- ilporfirinas com dois grupos hidroxilos terminais. A terceira parte desta dissertação é dedicada a estudos de funcionalização da posição β-pirrólica da 5,10,15,20-tetrafenilporfirina com um éter coroa segundo reacções de metátese, reacções de Heck e reacções de ciclo-adição 1,3- dipolar. Nas reacções de ciclo-adição obtiveram-se apenas produtos resultantes do acoplamento de porfirinas ao aminoácido. Para culminar estes estudos usou-se a 2-formil-5,10,15,20-tetra-arilporfirina e diversos aminoácidos como precursores de iletos de azometino porfirínicos. Segundo esta abordagem, verificou-se que a cadeia lateral do aminoácido influencia o tipo de produto formado, tendo-se obtido novas clorinas, β-imidoporfirinas e porfirinas funcionalizadas na posição β-pirrólica com grupos amino. A estrutura dos compostos sintetizados foi estabelecida recorrendo a Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN de 1H, 13C, COSY, HSQC, HMBC e NOESY), Espectrometria de Massa em MALDI, UV-Vis e, em alguns casos, Difractometria de raios-X. Já na quarta parte desta dissertação, o leitor é introduzido ao conceito de química supramolecular e à utilização de meso-(p-carboxifenil)porfirinas em sistemas auto-organizados. É descrita a formação de agregados J distintos a partir dos isómeros 5,10-bis-(4-carboxifenil)-15,20-difenilporfirina e 5,15-bis-(4- carboxifenil)-10,20-difenilporfirina e comprova-se que o tipo de arquitectura e a extensão deste sistema são impostas pela estrutura do cromóforo. A avaliação da formação destes sistemas foi efectuada recorrendo a técnicas de UV-vis, Fluorescência, CD, RLS e FLIM.

Photonic devices for optical and RF signal processing

O presente trabalho tem por objectivo o estudo de novos dispositivos fotónicos aplicados a sistemas de comunicações por fibra óptica e a sistemas de processamento de sinais RF. Os dispositivos apresentados baseiam-se em processamento de sinal linear e não linear. Dispositivos lineares ópticos tais como o interferómetro de Mach-Zehnder permitem adicionar sinais ópticos com pesos fixos ou sintonizáveis. Desta forma, este dispositivo pode ser usado respectivamente como um filtro óptico em amplitude com duas saídas complementares, ou, como um filtro óptico de resposta de fase sintonizável. O primeiro princípio de operação serve como base para um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. O segundo princípio de operação é explorado num novo sistema fotónico de direccionamento do campo eléctrico radiado por um agregado de antenas, e também num novo compensador sintonizável de dispersão cromática. O processamento de sinal é não linear quando sinais ópticos são atrasados e posteriormente misturados entre si, em vez de serem linearmente adicionados. Este princípio de operação está por detrás da mistura de um sinal eléctrico com um sinal óptico, que por sua vez é a base de um novo sistema fotónico de medição em tempo real da frequência de um sinal RF. A mistura de sinais ópticos em meios não lineares permite uma operação eficiente numa grande largura espectral. Tal operação é usada para realizar conversão de comprimento de onda sintonizável. Um sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal de elevada largura de banda é misturado com duas bombas ópticas não moduladas com base em processos não lineares paramétricos num guia de ondas de niobato de lítio com inversão periódica da polarização dos domínios ferroeléctricos. Noutro trabalho, uma bomba pulsada em que cada pulso tem um comprimento de onda sintonizável serve como base a um novo conversor de sinal óptico com multiplexagem no domínio temporal para um sinal óptico com multiplexagem no comprimento de onda. A bomba é misturada com o sinal óptico de entrada através de um processo não linear paramétrico numa fibra óptica com parâmetro não linear elevado. Todos os dispositivos fotónicos de processamento de sinal linear ou não linear propostos são experimentalmente validados. São também modelados teoricamente ou através de simulação, com a excepção dos que envolvem mistura de sinais ópticos. Uma análise qualitativa é suficiente nestes últimos dispositivos.

Nonaqueous sol-gel routes to doped metal oxide nanoparticles: synthesis, characterization, assembly and properties

The results presented in this thesis have been achieved under the Ph.D. project entitled “Nonaqueous Sol-Gel routes to doped metal oxide nanoparticles: Synthesis, characterization, assembly and properties”. The purpose of this study is the investigation of metal oxide nanostructures doped with metals of a diverse nature, leading to different type of applications. The easier control over the reaction kinetics in solvothermal routes, compared to aqueous methods, allows to better match the reactivity between metal oxide precursors, paving the way to a facile and low temperature production of doped oxides. In this manuscript diverse examples of the exploitation of the “Benzyl Alcohol Route” are discussed. Such a powerful pathway was utilized for the synthesis of transition metal doped zirconia, hafnia and various perovskites, and the study of their magnetic properties, as well as the synthesis of rare earth doped zirconium oxide. A further extension, proving the solidity of the synthetic method, is shown for the preparation of Li4Ti5O12 nanocrystals carrying excellent electrochemical properties for lithium-ion battery applications. Finally, the effect of doping and other reaction parameters on the assembly of the nanocrystals is discussed. These studies were carried out principally at the University of Aveiro, as well as at the University of Montpellier II and at the Seoul National University due to complementary available expertises and equipments.

Assessment of biocompatibility of selected ferroelectric ceramics

Desde há muitas décadas que é sabido que os organismos vivos, em especial os tecidos, reagem fisicamente a estímulos eléctricos, podendo esses efeitos reproduzirem-se numa libertação de químicos endógenos, ou deformar a sua estrutura física. O tecido ósseo por si só é considerado um material/tecido piezoeléctrico, deformando-se mecanicamente quando lhe é induzido um estímulo eléctrico e vice-versa, ou seja, produz um potencial eléctrico quando sofre uma tracção ou compressão mecânica. A hipótese de que um material ferroeléctrico possa vir a produzir efeitos no desempenho deste tipo de tecidos é então proposta, como por exemplo, para uma melhor, mais rápida e eficaz regeneração óssea. Estes mesmos materiais ferroeléctricos podem porventura alterar as cargas de superfície dos tecidos vivos de modo a atrair, atrasar ou até impedir o fluxo iónico de elementos químicos específicos responsáveis pelo processo de regeneração. São escolhidos então o niobato de lítio e o tantalato de lítio como cerâmicos ferroeléctricos e foi estudada pela primeira vez a sua bioactividade in vitro, esperando-se encontrar pistas relativas à sua bioactividade in vivo. Estes cerâmicos ferroeléctricos foram seleccionados devido às suas importantes propriedades piezoeléctricas e ferroeléctricas. Estas propriedades podem abrir um novo e importante leque de aplicações biomédicas caso estes cerâmicos sejam bioactivos. Este trabalho foi dividido em 3 fases: (i) sintetização dos pós de niobato de lítio e tantalato de lítio, (ii) caracterização dos pós e (iii) preparação das amostras e (iv) estudo da bioactividade destes cerâmicos ferroeléctricos. Os pós foram produzidos através de um processo simples de mistura/moagem seguido de calcinação. Foram estudadas as fases cristalinas presentes através de Difracção de raios-X (DRX) e avaliadas as características morfológicas destes pós, nomeadamente o diâmetro de partículas e área superficial específica. De modo a simular o ambiente do plasma humano, foi produzido sinteticamente um “Simulated Body Fluid” (SBF). Seguidamente as amostras foram imersas nesse ambiente líquido por 1, 3, 7, 15 e 21 dias. Após remoção dos pós foram realizadas uma série de análises de modo a estudar a sua bioactividade. De entre estes testes destacam-se a microscopia electrónica de varrimento (SEM/EDS), DRX e espectroscopia de Infravermelho por transformada de Fourier com reflectância total atenuada (FTIR-ATR). Embora não tenham sido detectadas alterações no DRX realizado aos pós, verificou-se a formação de aglomerados de fosfato de cálcio na superfície dos pós através do SEM, resultados estes, reforçados pelo EDS e FTIR-ATR. Estes precipitados de fosfato de cálcio indiciam a capacidade destes pós cerâmicos ferroeléctricos se comportarem como bioactivos em contacto com tecidos ósseos in vivo.