Nonreciprocal nonlinear scattering by stacked magnetoactive semiconductor layers

The combinatorial frequency generation by the periodic stacks of magnetically biased semiconductor layers has been modelled in the self-consistent problem formulation, taking into account the nonlinear dynamics of carriers. It has been shown that the nonlinear response of the magnetoactive semiconductor periodic structure is strongly enhanced by magnetic bias and combinations of the layer physical and geometrical parameters. The effects of the pump wave nonreciprocal reflectance and field displacement on the efficiency of three-wave mixing process is illustrated by the simulation results

Quasi-periodic stacks of semiconductor layers: Combinatorial frequency generation

The nonlinear scattering and combinatorial frequency generation by the quasi-periodic Fibonacci and Thue-Morse stacks of semiconductor layers have been investigated taking into account the nonlinear charge dynamics. It has been shown that the mixing processes in passive semiconductor structures are driven by the competitive effects of the collision of charges and resonance interactions of carriers with pump waves. The effects of the stack arrangements and constituent layer parameters on the efficiency of the combinatorial frequency generation are discussed. 

Diabetic retinopathy:morphometric analysis of basement membrane thickening of capillaries in different retinal layers within arterial and venous environments

AIMS: To assess quantitatively variations in the extent of capillary basement membrane (BM) thickening between different retinal layers and within arterial and venous environments during diabetes.

METHODS: One year after induction of experimental (streptozotocin) diabetes in rats, six diabetic animals together with six age-matched control animals were sacrificed and the retinas fixed for transmission electron microscopy (TEM). Blocks of retina straddling the major arteries and veins in the central retinal were dissected out, embedded in resin, and sectioned. Capillaries in close proximity to arteries or veins were designated as residing in either an arterial (AE) or a venous (VE) environment respectively, and the retinal layer in which each capillary was located was also noted. The thickness of the BM was then measured on an image analyser based two dimensional morphometric analysis system.

RESULTS: In both diabetics and controls the AE capillaries had consistently thicker BMs than the VE capillaries. The BMs of both AE and VE capillaries from diabetics were thicker than those of capillaries in the corresponding retinal layer from the normal rats (p < or = 0.005). Also, in normal AE and VE capillaries and diabetic AE capillaries the BM in the nerve fibre layer (NFL) was thicker than that in either the inner (IPL) or outer (OPL) plexiform layers (p < or = 0.001). However, in diabetic VE capillaries the BMs of capillaries in the NFL were thicker than those of capillaries in the IPL (p < or = 0.05) which, in turn, had thicker BMs than capillaries in the OPL (p < or = 0.005).

CONCLUSIONS: The variation in the extent of capillary BM thickening between different retinal layers within AE and VE environments may be related to differences in levels of oxygen tension and oxidative stress in the retina around arteries compared with that around veins.

One-dimensional porous La0.5Sr0.5CoO2.91 nanotubes as a highly efficient electrocatalyst for rechargeable lithium-oxygen batteries

The electrochemical performance of one-dimensional porous La_0.5Sr_0.5CoO_2.91 nanotubes as a cathode catalyst for rechargeable nonaqueous lithium-oxygen (Li-O₂) batteries is reported here for the first time. In this study, one-dimensional porous La_0.5Sr_0.5CoO_2.91 nanotubes were prepared by a simple and efficient electrospinning technique. These materials displayed an initial discharge capacity of 7205 mAh g^-1 with a plateau at around 2.66 V at a current density of 100 mA g^-1. It was found that the La_0.5Sr_0.5CoO_2.91 nanotubes promoted both oxygen reduction and oxygen evolution reactions in alkaline media and a nonaqueous electrolyte, thereby improving the energy and coulombic efficiency of the Li-O₂ batteries. The cyclability was maintained for 85 cycles without any sharp decay under a limited discharge depth of 1000 mAh g^-1, suggesting that such a bifunctional electrocatalyst is a promising candidate for the oxygen electrode in Li-O₂ batteries.

Predicting solvent effects on the structure of porous organic molecules

A computational approach for the prediction of the open, metastable, conformations of porous organic molecules in the presence of solvent is developed.

Multiple source quantum well model of porous silicon light emission

Based on photoluminescence, Fourier transform infrared spectroscopy, and atomic force microscopy results, a new light emitting model for porous silicon (multiple source quantum well model) is proposed.

Three-dimensional porous carbon nanofiber networks decorated with cobalt-based nanoparticles: A robust electrocatalyst for efficient water oxidation

Electrochemical water splitting used for generating hydrogen has attracted increasingly attention due to energy and environmental issues. It is a major challenge to design an efficient, robust and inexpensive electrocatalyst to achieve preferable catalytic performance. Herein, a novel three-dimensional (3D) electrocatalyst was prepared by decorating nanostructured biological material-derived carbon nanofibers with in situ generated cobalt-based nanospheres (denoted as CNF@Co) through a facile approach. The interconnected porous 3D networks of the resulting CNF@Co catalyst provide abundant channels and interfaces, which remarkably favor both mass transfer and oxygen evolution. The as-prepared CNF@Co shows excellent electrocatalytic activity towards the oxygen evolution reactions with an onset potential of about 0.445 V vs. Ag/AgCl. It only needs a low overpotential of 314 mV to achieve a current density of 10 mA/cm² in 1.0 M KOH. Furthermore, the CNF@Co catalyst exhibits excellent stability towards water oxidation, even outperforming commercial IrO<inf>2</inf> and RuO<inf>2</inf> catalysts.

Selective Hydrogenation of Halogenated Arenes using porous Manganese Oxide (OMS-2) and Platinum supported OMS-2 Catalysts

Porous manganese oxide (OMS-2) and platinum supported on OMS-2 catalysts have been shown to facilitate the hydrogenation of the nitro group on chloronitrobenzene to give chloroaniline with no dehalogenation. Complete conversion was obtained within 2 h at 25 [degree]C and, although the rate of reaction increased with increasing temperature up to 100 [degree]C, the selectivity to chloroaniline remained at 99.0%. Use of Pd/OMS-2 or Pt/Al2O3 resulted in significant dechlorination even at 25 [degree]C and 2 bar hydrogen pressure giving selectivity to chloroaniline of 34.5% and 77.8%, respectively, at complete conversion. This demonstrates the potential of using platinum group metal free catalysts for the selective hydrogenation of halogenated aromatics. Two pathways were observed for the analogous nitrobenzene hydrogenation depending on the catalyst used. The hydrogenation of nitrobenzene was found to follow a direct pathway to aniline and nitrosobenzene over Pd/OMS-2 in contrast to the OMS and Pt/OMS-2 catalysts which resulted in formation of nitrosobenzene, azoxybenzene and azobenzene/hydrazobenzene intermediates before complete conversion to aniline. These results indicate that for the Pt/OMS-2 the hydrogenation proceeds predominantly over the support with the metal acting to dissociate the hydrogen. In the case of the Pd/OMS-2 both the hydrogenation and the hydrogen adsorption occur on the metal sites.

Porous organic cages for sulfur hexafluoride separation

A series of porous organic cages is examined for the selective adsorption of sulphur hexafluoride (SF6) over nitrogen. Despite lacking any metal sites, a porous cage, CC3, shows the highest SF6/N2 selectivity reported for any material at ambient temperature and pressure, which translates to real separations in a gas breakthrough column. The SF6 uptake of these materials is considerably higher than would be expected from the static pore structures. The location of SF6 within these materials is elucidated by x-ray crystallography, and it is shown that cooperative diffusion and structural rearrangements in these molecular crystals can rationalize their superior SF6/N2 selectivity.

Fermi level de-pinning of aluminium contacts to n-type germanium using thin atomic layer deposited layers

Fermi-level pinning of aluminium on n-type germanium (n-Ge) was reduced by insertion of a thin interfacial dielectric by atomic layer deposition. The barrier height for aluminium contacts on n-Ge was reduced from 0.7 eV to a value of 0.28 eV for a thin Al2O3 interfacial layer (∼2.8 nm). For diodes with an Al2O3 interfacial layer, the contact resistance started to increase for layer thicknesses above 2.8 nm. For diodes with a HfO2 interfacial layer, the barrier height was also reduced but the contact resistance increased dramatically for layer thicknesses above 1.5 nm.

Estudo de sistemas de protecção térmica húmidos sujeitos a condições de incêndio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo e a interpretação dos mecanismos de transferência de calor e massa no interior de um meio poroso húmido actuando como barreira térmica de protecção em condições de incêndio, visando, sobretudo, melhorar o desempenho destes sistemas. A barreira térmica estudada é constituída por camadas de fibra de vidro, cuja face exposta à chama é protegida por uma folha de alumínio perfurada. A realização deste estudo envolveu a concepção, realização e operação de uma montagem experimental, com a qual se obteve a evolução temporal da temperatura e da taxa de evaporação de água no interior de uma amostra da barreira térmica, submetida à acção directa de uma chama. A análise do processo de protecção foi complementada com resultados obtidos por simulação numérica do processo, designadamente a evolução das propriedades térmicas, que determinam os mecanismos de transferência de calor e massa no interior da barreira. Para esse efeito foi desenvolvido um modelo matemático de simulação do processo de protecção para as barreiras em estudo, que permitiu obter resultados que acompanham bem as evoluções verificadas nos ensaios experimentais. A barreira térmica estudada mostrou claramente possuir um bom desempenho no processo de protecção, face às barreiras térmicas secas. Com a realização deste estudo identificaram-se e quantificaram-se os mecanismos de transferência de calor e massa dominantes nas diversas fases do processo de protecção, o que permitiu extrair conclusões valiosas quanto às características dos meios porosos que contribuem para o seu bom desempenho como barreiras térmicas húmidas.

Caracterização de novas membranas de titanossilicatos microporosos por ensaios de permeabilidade

O interesse crescente das membranas inorgânicas deve-se à potencial aplicação em novas áreas de investigação e da indústria, e em alternativa a operações mais convencionais. Em particular, as membranas de titanossilicatos oferecem vantagens importantes sobre as de zeólitos, pois podem ser sintetizadas sem agentes estruturantes orgânicos, para evitar a calcinação subsequente usualmente responsável por defeitos irreversíveis, exibem novas possibilidades de substituição isomórfica da matriz, permitindo um ajuste mais fino das propriedades catalíticas e de adsorção, e são capazes de separar misturas com base em diferenças de afinidade e tamanho molecular (efeito de peneiro). Os objectivos principais deste trabalho foram: i) a caracterização dinâmica de membranas do tipo zeolítico sintetizadas no Laboratório Associado CICECO, realizando-se experiências de permeação com gases puros e misturas; ii) o desenvolvimento e validação de novos modelos para a transferência de massa multicomponente através de membranas porosas pela abordagem de Maxwell-Stefan, tendo em conta os mecanismos específicos encontrados, particularmente a contribuição por difusão superficial; e iii) a modelação dos pontos experimentais medidos, bem como dados compilados da literatura. De forma a realizar os ensaios de permeação, desenhou-se, montou-se e testou-se uma instalação experimental. Para gases puros, os objectivos principais foram a medição de permeâncias a temperatura constante, por variação da pressão transmembranar r ( ΔP ), e de permeâncias a temperatura programada, conduzidas a ΔP constante. Seguidamente, calcularam-se as selectividades ideais. Em relação a misturas, a determinação de selectividades reais requer as fracções molares no permeado e no retido. Na globalidade, estudaram-se três suportes diferentes (aço inoxidável e α − alumina) e dezanove membranas de AM-3, ETS-10, ZSM-5 e zeólito 4A, utilizando-se H2, He, N2, CO2, e O2. A primeira avaliação exploratória da qualidade das membranas foi feita permeando azoto à temperatura ambiente. Assim, permeâncias superiores a 10−6 mol/m2s.Pa evidenciavam defeitos grosseiros, levando-nos a efectuar cristalizações adicionais sobre as primeiras camadas. Este procedimento foi implementado com oito membranas. Um trabalho experimental mais detalhado foi conduzido com cinco membranas. Membranas com curvas permeância-temperatura ( Π −T ) decrescentes indicam tipicamente transporte viscoso e de Knudsen, i.e. meso e macrodefeitos. Por exemplo, a membrana nº 3 de AM-3 exibiu este comportamento com H2, He, N2 e CO2 puros. A contribuição de Knudsen foi confirmada pela relação linear encontrada entre as permeâncias e o inverso da raiz quadrada da massa molar. O mecanismo viscoso foi também identificado, pois as permeâncias eram inversamente proporcionais à viscosidade do gás ou, atendendo a equações do tipo de Chapman-Enskog, directamente proporcionais a 2 0.5 k d M (onde k d é o diâmetro cinético e M a massa molar). Um comportamento de permeação distinto observou-se com a membrana nº 5 de AM-3. As permeâncias registadas a temperatura programada eram aproximadamente constantes para o N2, CO2 e O2, enquanto com o H2 cresciam significativamente. Conjuntamente elas evidenciam a ocorrência de macro, meso e microdefeitos intercristalinos. O transporte gasoso activado através dos microporos compensa o impacto diminuidor dos meso e macroporos. Ao contrário do N2, CO2 e O2, o pequeno diâmetro do hidrogénio torna-lhe possível permear através dos microporos intracristalinos, o que lhe adiciona um mecanismo de transferência responsável por esse crescimento. No que respeita à difusão superficial, o sistema CO2/ZSM-5 pode ser tomado como um exemplo paradigmático. Uma vez que este zeólito adsorve o CO2, as permeâncias diminuem com o crescimento de ΔP , em virtude de as concentrações no sólido aumentarem de forma não linear e tenderem para a saturação. Os resultados contrastantes obtidos com azoto realçam ainda mais o mecanismo superficial, pois o N2 não é adsorvido e as permeâncias medidas são constantes. Globalmente, as selectividades ideais calculadas ( α* ) variam de cerca de 1 a 4.2. Este parâmetro foi também utilizado para discriminar as melhores membranas, uma vez que baixos valores de α* denotam o escoamento viscoso não-selectivo típico de macrodefeitos. Por exemplo, o H2/CO2 na membrana nº 3 de AM-3 apresentou α* = 3.6 − 4.2 para 40–120ºC, enquanto que na membrana nº 5 de AM-3 originou α* = 2.6 − 3.1. Estes resultados corroboraram as observações anteriores, segundo as quais a membrana nº 5 era melhor do que a nº 3. Alguns ensaios foram realizados com membranas saturadas com água para aumentar a selectividade: as medições mostraram claramente uma melhoria inicial seguida de uma redução consistente de α* com o aumento da temperatura, devido à remoção das moléculas de água responsáveis pela obstrução de alguns poros. Em relação às selectividades reais de misturas contendo hidrogénio, devem ser realizadas mais experiências e a quantificação do hidrogénio deve ser melhorada. No que concerne à modelação, novos factores termodinâmicos de Maxwell- Stefan foram derivados para as isotérmicas mono e multicomponente de Nitta, Langmuir-Freundlich e Toth, tendo sido testadas com dados de equilíbrio e de permeação da literatura. (É importante realçar que só estão publicadas equações para Langmuir e Dual-Site Langmuir de componentes puros e misturas). O procedimento de validação adoptado foi exigente: i) as isotérmicas multicomponente foram previstas a partir das de gás puro; ii) os parâmetros de difusão dos componentes puros foram ajustados a dados de permeação de cada gás; iii) depois, as difusividades cruzadas de Maxwell- Stefan foram estimadas pela relação de Vignes; finalmente, v) as novas equações foram testadas usando-se estes parâmetros, tendo sido capazes de estimar com sucesso fluxos binários. Paralelamente ao enfoque principal do trabalho, derivou-se um novo modelo para permuta iónica em materiais microporosos baseado nas equações de Maxwell-Stefan. Este foi validado com dados experimentais de remoção de Hg2+ e Cd2+ de soluções aquosas usando ETS-4. A sua capacidade preditiva foi também avaliada, sendo possível concluir que se comporta muito bem. Com efeito, conseguiram-se boas previsões com parâmetros optimizados a partir de conjuntos de dados independentes. Este comportamento pode ser atribuído aos princípios físicos sólidos da teoria de Maxwell-Stefan.

Materiais à base de óxidos com estrutura do tipo perovskite e compósitos como ânodos de PCES

This work was focused on the analysis of transport, thermomechanical and electrochemical properties of a series of perovskite-like oxide materials and composites for potential applications as anodes of intermediate-temperature solid oxide fuel cells (SOFCs) with lanthanum gallate and silicate solid electrolytes. The primary attention was centered on A(Mn,Nb)O3-δ (A = Sr, Ca) and (La,Sr)(Mn,Ti)O3-based systems, lanthanum chromite substituted with acceptor-type and variable-valence cations, and various Ni-containing cermets. Emphasis was given to phase stability of the materials, their crystal structure, microstructure of porous electrode layers and dense ceramics, electronic conductivity, Seebeck coefficient, oxygen permeability, thermal and chemical induced expansion, and anodic overpotentials of the electrodes deposited onto (La,Sr)(Ga,Mg)O3- and La10(Si,Al)6O27- based electrolyte membranes. In selected cases, roles of oxygen diffusivity, states of the transition metal cations relevant for the electronic transport, catalytically active additives and doped ceria protective interlayers introduced in the model electrochemical cells were assessed. The correlations between transport properties of the electrode materials and electrochemical behavior of porous electrodes showed that the principal factors governing anode performance include, in particular, electronic conduction of the anode compositions and cation interdiffusion between the electrodes and solid electrolytes. The latter is critically important for the silicatebased electrolyte membranes, leading to substantially worse anode properties compared to the electrochemical cells with lanthanum gallate solid electrolyte. The results made it possible to select several anode compositions exhibiting lower area-specific electrode resistivity compared to known analogues, such as (La,Sr)(Cr,Mn)O3-δ.