Synthesis, Reactivity, and Characterization of Sodium and Rare-Earth Metal Complexes Bearing a Dianionic N-Aryloxo-Functionalized -Ketoiminate Ligand

The synthesis and reactivity of a series of sodium and rare-earth metal complexes stabilized by a dianionic N-aryloxo-functionalized beta-ketoiminate ligand were presented. The reaction of acetylacetone with 1 equiv of 2-amino-4-methylphenol in absolute ethanol gave the compound 4-(2-hydroxy-5-methylphenyl)imino-2-pentanone (LH2, 1) in high yield.

Effects of ammonia and cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) on morphologies of ZnO nano- and micromaterials under solvothermal process

Submicrometer zinc oxide (ZnO) with different morphologies including spindle-like, pencil-like, branch rod-like and frizzy flower-like shapes, have been hydrothermally synthesized in mixed solvents of ethanol and water at 140 degrees C. It was found that the volumes of added ammonia, surfactant (cetyltrimethylammonium bromide, CTAB), and mixed solvent play crucial roles in morphological control of ZnO nanostructures. Increasing the volume of ammonia added to the reaction system, the shape of ZnO evolves from spindle into branch rod-like. Synergetic influence between CTAB and ammonia can only be observed at high concentration of ammonia.

Multicolor Tuning of Manganese-Doped ZnS Colloidal Nanocrystals

In this paper, we report a facile route which is based Oil tuning doping concentration of Mn2+ ions in ZnS nanocrystals, to achieve deliberate color modulation from blue to orange-yellow under single-wavelength excitation. X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), as well as photoluminescence (PL) spectra were employed to characterize the obtained samples. In this process, the relative emission intensities of both ZnS host (blue) and Mn2+ dopant (orange-yellow) are sensitive to the Mn2+ doping concentration, due to the energy transfer from ZnS host to Mn2+ dopant. As a result of fine-tuning of these two emission components, white emission can be realized for Mn2+-doped ZnS nanocrystals. Furthermore.

ZnO Nanorods as Scatterers for Random Lasing Emission from Dye Doped Polymer Films

A random lasing emission from 4-(dicy-anomethylene)-2-t-butyl-6(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4H-pyran (DCJTB) doped polystyrene (PS) thin films was realized by the scattering role of ZnO nanorods. The device was fabricated by spin-coating DCJTB doped PS on ZnO nanorods. The ZnO nanorods were grown on indium-tin-oxide (ITO) glass substrate by hydrothermal synthesis method. It can be seen that the device emits a resonance multimode peak at center wavelength of 630 nm with a mode line-width of less than 0.23 nm and exhibits threshold excitation intensity as low as 0.375 mJ pulse(-1) cm(-2). The agreement of the dependence of threshold pumped intensity on the excitation area with the random laser theory indicates that the lasing emission realized here is random laser. Our results demonstrate that the nanostructured ZnO nanorods are promising candidate as alternative sources of coherent light emission to realize organic lasers.

Facile transformation of hydrophilic cellulose into superhydrophobic cellulose

Superhydrophobic cellulose-based materials coupled with transparent, stable and nanoscale polymethylsiloxane coating have been successfully achieved by a simple process via chemical vapor deposition, followed by hydrolyzation and polymerization.

Low-temperature oxidation of methane to form formaldehyde: role of Fe and Mo on Fe-Mo/SiO2 catalysts, and their synergistic effects

The partial oxidation of methane with molecular oxygen was performed on Fe-Mo/SiO2 catalysts. Iron was loaded on the Mo/SiO2 catalyst by chemical vapor deposition of Fe-3(CO)(12). The catalyst showed good low-temperature activities at 723-823 K. Formaldehyde was a major condensable liquid product on the prepared catalyst. There were synergistic effects between iron and molybdenum in Fe-Mo/SiO2 catalysts for the production of formaldehyde from the methane partial oxidation. The activation energy of Mo/SiO2 decreased with the addition of iron and approached that of the Fe/SiO2. The concentration of isolated molybdenum species (the peak at 1148 K in TPR experiments) decreased as the ion concentration increased and had a linear relationship with the selectivity of methane to formaldehyde. The role of Fe and Mo in the Fe-Mo/SiO2 catalyst was proposed: Fe is the center for the C-H activation to generate reaction intermediates, and Mo is the one for the transformation of intermediates into formaldehyde. Those phenomena were predominant below 775 K.

Effect of surface state properties of TiO2 nanoparticle film on its photocatalytic activity

TiO2 nanoparticle film catalysts with different thicknesses were prepared by plasma-enhanced chemical vapor deposition(PECVD) method and the surfaces were subsequently treated by TiCl4 or O-2 plasma. Two kinds of TiO2 films with different surface properties were obtained. Their surface microstructures and energy levels of surface states were tested by AFM, XRD, SPS, The photocatalytic activities of the catalysts were determined via photodegradation experiments of phenol. The results demonstrated that photocatalytic activities of samples whose surface was treated by O-2 plasma were greater than those treated by TiCl4 plasma. Moreover, photodegradation ratio of phenol during the first hour catalyzed by 0. 17 mu m thickness TiO2 nanoparticle film was greater than other samples. Especially, the difference of photocatalytic activities of TiO2 nanoparticle films treated by TiCl4 or O-2 plasma was respectively explained by energy band theory.

Study on the interface structure: Diamond thin film epitaxy on (001) silicon substrate

An interesting interface structure between diamond film and silicon substrate has been observed. That is, according to the deformation of the diamond film crystal sturcture, a strictly 3:2 matching of the two lattices across the interface is obtained. This result clearly indicates that misfit dislocations at the interface and "epitaxial tilting" are not the only two ways to overcome the 1.5% residual misfit.

Reductive elimination of hypersilyl halides from zinc (II) complexes. Implications for electropositive metal thin film growth

Treatment of Zn(Si(SiMe3)3)2 with ZnX2 (X = Cl, Br, I) in tetrahydrofuran (THF) at 23 °C afforded [Zn(Si(SiMe3)3)X(THF)]2 in 83–99% yield. X-ray crystal structures revealed dimeric structures with Zn2X2 cores. Thermogravimetric analyses of [Zn(Si(SiMe3)3)X(THF)]2 demonstrated a loss of coordinated THF between 50 and 155 °C and then single-step weight losses between 200 and 275 °C. The nonvolatile residue was zinc metal in all cases. Bulk thermolyses of [Zn(Si(SiMe3)3)X(THF)]2 between 210 and 250 °C afforded zinc metal in 97–99% yield, Si(SiMe3)3X in 91–94% yield, and THF in 81–98% yield. Density functional theory calculations confirmed that zinc formation becomes energetically favorable upon THF loss. Similar reactions are likely to be general for M(SiR3)n/MXn pairs and may lead to new metal-film-growth processes for chemical vapor deposition and atomic layer deposition.

Viscous state effect on the activity of Fe nanocatalysts.

Many applications of nanotubes and nanowires require controlled bottom-up engineering of these nanostructures. In catalytic chemical vapor deposition, the thermo-kinetic state of the nanocatalysts near the melting point is one of the factors ruling the morphology of the grown structures. We present theoretical and experimental evidence of a viscous state for nanoparticles near their melting point. The state exists over a temperature range scaling inversely with the catalyst size, resulting in enhanced self-diffusion and fluidity across the solid-liquid transformation. The overall effect of this phenomenon on the growth of nanotubes is that, for a given temperature, smaller nanoparticles have a larger reaction rate than larger catalysts.

Ultra-broadband Polarisers Based on Metastable Free-Standing Aligned Carbon Nanotube Membranes

A carbon nanotube free-standing linearly dichroic polariser is developed using solid-state extrusion. Membrane cohesion is experimentally and numerically demonstrated to derive from inter-tube van der Waals interactions in this family of planar metastable morphologies, controlled by the chemical vapour deposition conditions. Ultra-broadband polarisation (400 nm – 2.5 mm) is shown and corroborated by effective medium and full numerical simulations.

Modifications of Surface Properties of Beta Ti by Laser Gas Diffusion Nitriding

Beta-type Ti-alloy is a promising biomedical implant material as it has a low Young’s modulus and is also known to have inferior surface hardness. Various surface treatments can be applied to enhance the surface hardness. Physical vapor deposition and chemical vapor deposition are two examples of this but these techniques have limitations such as poor interfacial adhesion and high distortion. Laser surface treatment is a relatively new surface modification method to enhance the surface hardness but its application is still not accepted by the industry. The major problem of this process involves surface melting which results in higher surface roughness after the laser surface treatment. This paper will report the results achieved by a 100 W continuous wave (CW) fiber laser for laser surface treatment without the surface being melted. Laser processing parameters were carefully selected so that the surface could be treated without surface melting and thus the surface finish of the component could be maintained. The surface and microstructural characteristics of the treated samples were examined using x-ray diffractometry, optical microscopy, three-dimensional surface profile and contact angle measurements, and nanoindentation test.

Bottom up strategies for the morphology control of BaTiO3 particulates

As propriedades funcionais dos materiais ferroeléctricos tais como a polarização reversível, piroelectricidade, piezoelectricidade, elevada actividade óptica não linear e comportamento dieléctrico não linear são fundamentais para a sua aplicação em sensores, microactuadores, detectores de infravermelhos, filtros de fase de microondas e memórias não-voláteis. Nos últimos anos, motivado pelas necessidades industriais de redução do tamanho dos dispositivos microelectrónicos, aumentando a eficiência volumétrica, tem sido feito um grande esforço ao nível da investigação para desenvolver estruturas ferroeléctricas à escala micro- e nano- métrica. É sabido que a redução de tamanho em materiais ferroeléctricos afecta significamente as suas propriedades. Neste sentido e considerando que foi previsto teoreticamente por cálculos ab initio que estruturas do tipo nanocilindros e nanodiscos apresentariam um novo tipo de ordem ferroeléctrica e, na expectativa de alcançar conhecimento para o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos microelectróncos, existe um grande interesse em desenvolver métodos de fabrico de nanoestruturas ferroeléctricas unidimensionais (1D) tais como nanocilindros e nanotubos. As estratégias de fabrico de nanoestruturas 1D até agora descritas na literatura indicam claramente as dificuldades inerentes à sua preparação. Existem duas grandes vias de síntese destas nanoestruturas: i) o método “topdown” que consiste na redução de tamanho de um dado material até à obtenção duma estrutura 1D; e ii) o método “bottom-up” em que átomos, iões e moléculas são agrupados para formar um material 1D. O método “top down” envolve em geral técnicas de desgaste, como o uso do feixe de electrões, que apesar de permitirem elevada precisão no posicionamento e no controlo do tamanho, falham em termos de resolução, exigem muito tempo e causam facilmente defeitos que deterioram as propriedades físicas destes materiais. Na metodologia “bottom up” a utilização de moléculas ou estruturas “molde” tem sido a mais explorada. As estructuras 1D podem também ser preparadas sem recorrer a “moldes”. Neste caso a agregação orientada é promovida pelo recurso a aditivos que controlam o crescimento dos cristais em direcções preferenciais. Neste contexto, neste trabalho utilizaram-se duas estratégias “bottom up” de baixo custo para a preparação de nanopartículas de titanato de bário (BaTiO3) com morfologia controlada: 1) síntese química (em solução e em fase vapor) com utilização de nanotubos de titanato TiNTs) como “moldes” e precursores de titânio 2) síntese química em solução com presença de aditivos. Os nanotubos de titanato de sódio foram preparados por síntese hidrotermal. Como existiam muitas dúvidas acerca da natureza estrutural e do mecanismo de formação dos NTs, a parte inicial do trabalho foi dedicada à realização de um estudo sistemático dos parâmetros intervenientes na síntese e à caracterização da sua estrutura e microestrutura. Foi demonstrado que os NTs têm a fórmula geral A2Ti2O5 (A = H+ or Na+), e não TiO2 (anátase) com defendido por vários autores na literatura, e podem ser preparados por método hidrotermal em meio fortemente alcalino usando como fonte de titânio TiO2 comercial na forma de anátase ou rútilo. A menor reactividade do rútilo exige temperaturas de síntese superiores ou tempos de reacção mais longos. A forma tubular resulta do tratamento hidrotermal e não de processos de lavagem e neutralização subsequentes. Se os NTs forem tratados após a síntese hidrotérmica em água a 200 ºC, transformam-se em nanocilindros. Uma das partes principais desta tese consistiu na investigação do papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3. O potencial funcionamento dos NTs como “moldes” para além de precursores foi testado em reacção com hidróxido de bário em síntese em solução e por reacção com um precursor orgânico de bário em fase vapor. Tendo por base os estudos cinéticos realizados, bem como as alterações estruturais e morfológicas das amostras, é possível concluir que a formação do BaTiO3 a partir de NTs de titanato de sódio, ocorre por dois mecanismos dependendo da temperatura e tempo de reacção. Assim, a baixa temperatura e curto tempo de reacção verifica-se que se formam partículas dendríticas de BaTiO3 cuja superfície é bastante irregular (“wild”) e que apresentam estrutura pseudo-cúbica. Estas partículas formam-se por reacção topotáctica na fronteira dos nanotubos de titanato de sódio. A temperaturas mais altas e/ou reacções mais longas, a reacção é controlada por um mecanismo de dissolução e precipitação com formação de dendrites de BaTiO3 tetragonais com superfície mais regular (“seaweed”). A microscopia de força piezoeléctrica mostrou que as dendrites “seaweeds“ possuem actividade piezoeléctrica superior à das dendrites “wild”, o que confirma o papel desempenhado pela estrutura e pela concentração de defeitos na rede na coerência e ordem ferroeléctrica de nanoestruturas. Os nossos resultados confirmam que os NTs de titanato não actuam facilmente como “moldes” na síntese em solução de BaTiO3 já que a velocidade de dissolução dos NTs em condições alcalinas é superior à velocidade de formação do BaTiO3. Assumindo que a velocidade de reacção dos NTs com o precursor de bário é superior em fase vapor, efectuou-se a deposição de um precursor orgânico de bário por deposição química de vapor sobre um filme de NTs de titnato de sódio depositados por deposição electroforética. Estudou-se a estabilidade dos NTs nas diferentes condições do reactor. Quando os NTs são tratados a temperaturas superiores a 700 ºC, ocorre a transformação dos NTs em nanocilindros de anatase por um mecanismo de agregação orientada. Quando se faz a deposição do precursor de bário, seguida de calcinação a 700 ºC em atmosfera oxidante de O2, verifica-se que a superficie dos NTs fica coberta com nanocristais de BaTiO3 independentemente da concentração de bário. O papel dos NTs de titanato no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em fase vapor é assim descrito pela primeira vez. Em relação à metodologias de crescimento de partículas na ausência de “moldes” mas com aditivos fez-se um estudo sistemático utilizando 5 aditivos de natureza differente. As diferenças entre aditivos foram sistematizadas tendo em conta as diferenças estruturais e morfológicas verificadas. Está provado que os aditivos podem funcionar como modificadores de crescimento cristalino por alteração do seu padrão de crescimento ou por alteração da cinética de crescimento das faces cristalográficas do cristal. Entre os aditivos testados verificou-se que o ácido poliacrilíco adsorve em faces específicas do BaTiO3 alterando a cinética de crescimento e induzindo a agregação orientada das partículas. O polivinilpirrolidona, o docecilsulfato de sódio e hidroxipropilmetilcelulose actuam mais como inibidores de crescimento do que como modificadores do tipo de crescimento. A D-frutose aumenta a energia de activação da etapa de nucleação não ocorrendo formação de BaTiO3 para as mesmas condições dos outros aditivos. Esta tese clarifica o papel dos NTs de titanato de sódio enquanto precursores e “moldes” no crescimento anisotrópico de BaTiO3 em solução e em fase vapor. É feita também a abordagem do controlo morfológico do BaTiO3 através do uso de aditivos. As estratégias de preparação de BaTiO3 propostas são de baixo custo, reprodutíveis e fáceis de efectuar. Os resultados contribuem para uma melhor compreensão da relação tamanho – morfologia – propriedade em materiais ferroeléctricos nanométricos com vista à sua potencial aplicação.

Sensores de Bragg para bioaplicações

Nas últimas décadas, os sensores de Bragg têm sido frequentemente utilizados em inúmeras aplicações, em resultado das características únicas desta tecnologia. Contudo, a comunidade científica tem feito um esforço contínuo em desenvolver sensores que respondam tanto quanto possível aos requisitos e interesses de cada aplicação em particular. As bioaplicações são um campo de crescente interesse pelos sensores de Bragg, atendendo à heterogeneidade e complexidade dos meios de análise em questão. No âmbito desta dissertação foi realizada uma análise teórica dos princípios de funcionamento das redes de Bragg, focada em redes uniformes e inclinadas. Foi também descrito o processo de produção de redes de Bragg regeneradas. Redes de Bragg uniformes foram aplicadas na caracterização da reacção de polimerização e cura de materiais dentários, nomeadamente resina para base de dentadura, cimentos e gessos. Foi feita uma análise comparativa do desempenho de diferentes tipos de cimentos e gessos. Em relação ao gesso foi ainda avaliada a influência do rácio água/pó nas propriedades do material. Devido à importância que o índice de refracção tem na detecção de substâncias, doenças e controlo de qualidade de produtos, foi desenvolvido um sensor de índice de refracção baseado numa rede de Bragg inclinada. Implementaram-se também sensores para medição simultânea de índice de refracção e deformação, índice de refracção e temperatura e índice de refracção, deformação e temperatura, todos baseados numa única rede inclinada. O último dispositivo foi validado em ambiente laboratorial. Com o propósito de desenvolver um sensor baseado em redes de Bragg para monitorização da deformação óssea, foi avaliada a biocompatibilidade da fibra óptica em cultura de células osteoblásticas, e analisada a integridade física e funcionalidade da rede de Bragg nesse meio. O interesse em aumentar a sensibilidade e alargar a gama de trabalho dos sensores conduziu ao revestimento das fibras ópticas. Atendendo ao potencial índole biológica e biomédica do trabalho, usou-se como material de recobrimento o diamante, dada a excelente resposta em termos de biocompatibilidade, resistência à corrosão, não toxicidade e afinidade para espécies químicas e biológicas. Os filmes foram obtidos por deposição química a partir da fase vapor assistida por filamento quente. Para além de amostras de fibra óptica, foram revestidas redes de Bragg uniformes e regeneradas. Os sensores revestidos com diamante foram caracterizados à deformação e à temperatura.

Nanocomposites as probes for biodetection by SERS

The present work aimed to explore the potential of new nanocomposites based on carbon nanostructures and metal nanoparticles for the detection of biomolecules through surface enhanced Raman scattering (SERS). In a first step, polyvinyl alcohol composites were prepared incorporating silver nanoparticles by two different reduction procedures. At first without introduction of carbon nanostructures. These composites showed good results for the SERS identification of nucleic acids. Next, the synthesis and characterization of graphene oxide was studied to be used in the preparation of silver and gold nanocomposites. The reduction of this nanomaterial with different chemical agents was explored, since its reduction degree may be a determinant factor for the application envisaged (biomolecules interaction). The preparation of the nanocomposites with silver and gold was performed with different reducing agents. The SERS activity of these new nanocomposites was then explored in the presence of different analytes, varying the experimental conditions for Raman spectra acquisition. It was interesting to verify that the silver containing nanocomposites presented the particularity to intensify the graphene D and G bands. It is also important to highlight that a new eco-friendly reducing agent was tested for the synthesis of the graphene oxide composites, an Eucalyptus Globulus extract. Other variable introduced was the preparation of gold nanostars synthesized with hydroxylamine in the presence of graphene oxide, which allowed the preparation of a new nanocomposite with SERS potential. Fibrous membranes were also prepared by electrospinning with the aim to prepare SERS supports with adequate topography and porosity for the formation of nanoparticles agglomerates for the creation of the so-called hot-spots and also to allow the penetration of the analyte molecules. The polymers polyvinyl alcohol and polyacrylonitrile were selected for electrospinning. Using this technique, electrospun mantles with silver and gold nanoparticles and nanocomposites were prepared. Several variables were studied, such as the introduction of the nano-fillers during the electrospinning process, later deposition of the nano-fillers on the simple electrospun polymeric fibres and surface functionalization of the simple polymeric membranes to link the nano-fillers. At last, the potentialities of using carbon nanotubes forests, produced by chemical vapor deposition and coated with gold film by sputtering, as new SERS substrates were explored. It was found that the SERS detection of DNA bases and ADN itself is possible using these substrates.